Physik
Inhaltsverzeichnis
Was ist Physik?
Die Physik ist eine Naturwissenschaft. Wie jede Wissenschaft ist Ihre Hauftaufgabe Wissen zu schaffen, also uns neue Einsichten zu ermöglichen, unseren Erkenntnishorizont zu erweitern und unsere Neugier zu stillen. Als Basiswissenschaft fließen physikalische Erkenntnisse in nahezu alle anderen Wissenschaften wie z. B. Biologie, Chemie, Geologie, Medizin, Meteorologie usw. ein. Die Umsetzung des ständig wachsenden Wissenschatzes, dass heißt seine Anwendung in Form neuer Techniken oder Geräte ist nicht Aufgabe einer Naturwisssenschaft sondern Gegenstand der Ingeniuerwissenschaften.
Womit beschäftigt sich die Physik?
Physik ist die Wissenschaft, die die unbelebte Natur beschreibt und dazu aus der Fülle der Naturphänomene allgemeingültige Modellvorstellungen, grundlegende Größen und Gesetzmäßigkeiten abstrahiert. Sie sucht nach aussagekräftigen Größen und wie sie sich gegenseitig beeinflussen und leitet daraus möglichst breit geltende Zusammenhänge ab: unsere Naturgesetze. In der Physik suchen wir nach übertragbaren Gemeinsamkeiten, um unser Universum verstehen zu können. Und das gelingt richtig gut! Was haben z. B. Musik, ein Tsunami, das Licht der Sonne und ein Erdbeben gemeinsam? Nun, alle können mit der Modellvorstellung „Welle“ beschrieben werden, wir können also alle diese Phänomene großteils mit den gleichen physikalischen Zusammenhängen beschreiben. Oder was hat das Kreisen eines Planeten um die Sonne mit dem Flug einer Rakete, dem Schwingen eines Uhrpendels, dem Fall eines Fallschirmspringers, einem fliegenden Fußball, einem bremsenden Auto zu tun? Alle diese ganz unterschiedlichen Bewegungen können wir letztendlich durch nur eine einzige Grundgleichung, das Newton'sche Bewegungsgesetz erfassen.
Die Säulen der Physik
Die Physik ist eine dynamische „Fabrik“ und bringt ständig Neues hervor. Ihre drei Säulen sind:
- Modell,
- Experiment,
- Theorie.
Das aktuelle Wissen ist unser momentanes Bild von der Natur, unsere Modellvorstellung. Was heute als gesicherte Erkenntnis gilt, wird morgen vielleicht ergänzt oder revidiert oder als Grenzfall erkannt. Dieses Bild gewinnen wir durch theoretische Vorhersagen, gezielte Experimente oder zufällige Erkenntnisse. Theorien sind die mathematische Formulierung von Modellvorstellungen. Kluge Köpfe, die tolle Theorien entwickeln, fordern findige Experimentatoren heraus, durch Experimente ihre Theorie zu bestätigen. Oder findige Experimentatoren fordern kluge Köpfe heraus, ihre unverstandenen experimentellen Ergebnisse durch eine Theorie zu erklären. Experimente sind unsere Fragen an die Natur, sie haben das letzte Wort und liefern uns qualitative oder quantitative Antworten. Diese Fragen richtig zu stellen, also gute Experimente durchzuführen, ist eine ebenso hohe Kunst, wie ihre Antworten zu deuten, also schlüssige Theorien zu entwickeln. Beide Zweige, Experimentalphysik und theoretische Physik sind gleichberechtigt und arbeiten Hand in Hand. Wenn ein Experiment eine Theorie reproduzierbar bestätigt, gilt die Theorie als gesichert und wir haben wieder etwas Wissen geschaffen und unser Bild der Natur um ein Detail ergänzt.
Das Physik-Puzzle
Die Physik basiert auf einer überschaubaren Anzahl von grundlegenden einfachen Modellvorstellungen, Zusammenhängen und Methoden. Damit kann Neues immer wieder auf Bekanntes zurückführt werden. Unser komplexes physikalisches Weltbild kann aus grundlegenden Puzzle-Stückchen aufgebaut werden. Komplexe Zusammenhänge lassen sich in einfache Bausteine zerlegen, die immer wieder verwendet werden. So ist zum Beispiel das einfache Modell der harmonischen Schwingung ein Basisbaustein der harmonischen ebenen Welle, die wiederum ein Baustein beliebiger Wellen wie z. B. Schallwellen oder Tsunamis oder Lichtwellen und auch quantenmechanischer Wellenfunktionen ist. Das Modell der gleichförmigen Kreisbewegung findet sich im Mikrokosmos, z. B. im Bohrschen Atommodell ebenso wieder wie im Alltag, z. B. beim Drehen eines Rades oder im Makrokosmos zur Beschreibung der Planetenbwegungen. Die Punktmasse als einfachstes Modell eines Objektes ist der Basisbaustein zur Beschreibung ausgedehnter starrer Körper, z. B. des Kreisels. Der Kreisel wiederum und sein skurriles Verhalten fasziniert uns nicht nur als Spielzeug, sondern das Kreiselmodell beschreibt auch das Verhalten von Atomen im Magnetfeld und die Bewegungen der Erdachse. Durch diese modulare Struktur bleibt der enorme physikalische Wissenschatz überschaubarer und liefert ein faszinierend elegantes Weltbild, das auf erstaunlich wenigen Grundgesetzen basiert. Wer das erkannt hat findet: Physik ist eigentlich nicht schwierig! Die Voraussetzung dafür ist, dass man die grundlegenden Modellvorstellungen und Methoden kennt und erkennt, wie sie ineinandergreifen und wann sie anwendbar sind.
Die "Sprachen" der Physik
Es gibt verschiedene Möglichkeiten zum Beschreiben und Darstellen von physikalischen Phänomenen und Zusammenhängen. Sie unterscheiden sich durch ihre Abstraktionsebene und Präzision. In der Physik nutzt man meist mehrere Abstraktionsebenen simultan, z. B. die sprachliche Formulierung, die Darstellung des Gesagten als Formel, die zeichnerische Darstellung der Formel als Funktionsgraph, eine Schemazeichnung des Vorgangs, eine Analogie, ein Bild oder Foto des Phänomens oder die unmittelbare Beobachtung im Experiment. Jede Variante hat ihre Vor- und Nachteile. Die anschaulichste Darstellung ist das Phänomen selbst als Demonstration oder Experiment. Die abstrakteste Darstellung ist die mathematische Formulierung: sie ist für quantitative Fragestellungen am geeignetsten. Dazwischen liegt die verbale fach- oder umgangssprachlich Formulierung sowie die Visualisierung durch Grafiken oder Schaubilder. Im Grunde sind alle Darstellungsebenen gleichberechtigt, die mathematische ist die kürzeste und präziseste Formulierung. Aber gerade sie birgt aufgrund der Abstraktheit die große Gefahr, das anschauliche Modell dahinter zu vergessen und sich nur an der Formel festzuhalten, bzw. diese auswendig zu lernen. Oft wird „die Formel“ als die wichtigste Formulierung angesehen und Physik mit Mathematik verwechselt! Eine Formel zu kennen, ohne zu wissen, was sie bedeutet, wo sie herkommt und wann sie anwendbar ist, ist die häufigste und oberflächlichste Form physikalischen Wissens. Die Physik und physikalische Literatur nutzt alle ihre Sprachen. Daher ist es nützlich, alle zu kennen und zu lernen, sie ineinander zu übersetzen. Das bedeutet, physikalische Sachverhalte von einer Abstraktionsebene auf eine andere zu übertragen. Also z. B. den Funktionsgraphen einer Formel zeichnen, oder ein Experiment verbal erklären können und seine Messergebnisse durch eine Formel ausdrücken können oder das Experiment als Schemazeichnung darstellen können..
Mathematische Sprache: \(\vec F^{21} = -\vec F^{12}\). Darin ist \(\vec F^{21}\) die Kraft, die ein Körper 1 auf einen anderen Körper 2 ausübt und \(\vec F^{12}\) die Kraft, die der Körper 2 auf den Körper 1 ausübt.
Fachsprache: Wir betrachten zwei unterschiedliche Körper 1 und 2. Wenn der Körper 1 auf den anderen Körper 2 eine Kraft vom Betrag \(F\) ausübt, dann wirkt auf den Körper 1 selbst eine entgegengesetzt gerichtete Kraft vom gleichen Betrag, die der andere Körper 2 ausübt.