Physik

Die Unterbereiche der Physik

Die Physik und ihre naturwissenschaftlichen Unterbereiche versuchen, die Welt zu erklären, so wie sie ist und warum Prozesse und Vorgänge auf ihre Art und Weise funktionieren. Während in der Antike die Physik noch ein Teilbereich der Philosophie war, so hat sie sich im Laufe der Jahrhunderte immer stärker abgegrenzt, jedoch die Tür zur Philosophie nie ganz geschlossen.

Im Prinzip funktioniert die Beweisführung in der Physik und deren verschiedene Bereiche nach der klassischen wissenschaftlichen Vorgehensweise, indem ein theoretisches Modell erstellt und anschließend mittels Versuchen der empirische Beweis erbracht wird, oder auch nicht. Diese Form der Erforschung natürlicher Vorgänge wie die Mechanik, Elektrodynamik oder Thermodynamik genauso wie die Relativitätstheorie, die Quantenphysik, Teilchenphysik und nicht zuletzt die Astrophysik verhalfen anderen naturwissenschaftlichen Bereichen wie der Medizin, der Biologie, der Geologie oder der Chemie zu neuen, teils bahnbrechenden Erkenntnissen.

Mechanik

In der Mechanik geht es um die Bewegung von Körpern und den dabei auftretenden oder verursachenden Kräften. Die Mechanik ist die klassische Disziplin der Physik, die je nach Anwendungsgebiet auch technische Mechanik benannt wird. Die Mechanik unterteilt sich in vier grundlegende Vorgänge. Der Kinematik sowie der Dynamik, aus der sich wiederum die Statik und die Kinetik ableiten. In der Kinematik sind die Bewegungsgesetze ohne Kräfte erfasst. Als Bewegungsgesetze ohne Kräfte sind die Zeit, die Geschwindigkeit, der Ort sowie die Beschleunigung von Körpern im Raum zu verstehen. Die Dynamik wiederum nimmt zu diesen Bewegungsgesetzen die Masse und die mit Ihr auftretenden Kräfte hinzu. Aus diesem Grund leitet sich nur aus der Dynamik die Statik und die Kinetik ab. Unter der Statik ist das Gleichgewicht ruhender Körper zueinander zu verstehen. In der Kinetik verändern Kräfte den Bewegungszustand.

Elektrodynamik

Bewegte elektrische Ladungen sowie zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder sind der grundsätzliche Inhalt der Elektrodynamik. Eine Besonderheit in diesem Unterbereich der Physik stellt die Elektrostatik dar. Die gesamten Vorgänge in diesem Bereich beruhen auf der elektromagnetischen Wechselwirkung. Obwohl auch elektromagnetische Wellen zur Elektrodynamik zählen, wird deren wohl wichtigster Vertreter, das Licht, in einem eigenen Bereich der Physik behandelt, in der Optik.

Die Funktionalität der Elektrodynamik wird durch Gleichungen dargestellt. Dazu gehören die Maxwell-Gleichungen sowie die sogenannte Lorenzkraft. Aus diesen Gleichungen leiten sich wiederum die Kontinuitätsgleichung sowie der Satz von Poynting ab.

Thermodynamik

Die auch als Wärmelehre bezeichnete Thermodynamik ist ein weiterer Teilbereich der klassischen Physik. Inhaltlich geht es bei der Thermodynamik um die Möglichkeiten, Energie in verschiedenen Erscheinungsformen durch Umverteilung Arbeit verrichten zu lassen. Obwohl die Wechselwirkungen von Stoffen bei unterschiedlichen Temperaturen schon sehr lange bekannt sind, basiert die heutige Thermodynamik auf den Erkenntnissen, die bei der Entwicklung der Dampfmaschine gewonnen wurden. Der Thermodynamik werden vier fundamentale Hauptsätze zugrunde gelegt, aus denen sich die weiteren dynamischen Vorgänge ableiten. Der erste Hauptsatz besagt, dass zwei Systeme, die mit einem dritten System in Verbindung stehen, und ein thermodynamisches Gleichgewicht besitzen, auch untereinander im Gleichgewicht sind. Zweiter Hauptsatz: In einem abgeschlossenen System ist die Energie konstant. Dritter Hauptsatz: Thermische Energie lässt sich nicht beliebig in andere Energiearten wandeln. Vierter Hauptsatz: Ein absoluter Nullpunkt der Temperatur ist nicht erreichbar.

Relativitätstheorie

Albert Einstein verfasste zwei physikalische Theorien zur Struktur von Raum und Zeit sowie der Gravitation. Die 1905 veröffentlichte spezielle Relativitätstheorie sowie die 1916 bekannt gegebene allgemeine Relativitätstheorie. In der speziellen Relativitätstheorie werden als grundlegende Axiome zwei Feststellungen gemacht, aus denen sich die weiteren Vorgänge ableiten lassen. In der ersten Feststellung geht es um das Prinzip der Konstanz von Lichtgeschwindigkeit, deren Messung unabhängig vom Bewegungszustand des Messenden immer gleich ist. Die zweite Feststellung besagt, dass physikalische Vorgänge für sich konstant bewegende Beobachter immer die gleiche Gestalt besitzen. Dies wird als Relativitätsprinzip bezeichnet.

In der allgemeinen Relativitätstheorie geht es um die Gravitation und die dadurch verursachte Krümmung der Raumzeit. Auch hier sind es zwei Feststellungen, die den Ausgangspunkt für die gesamte Theorie darstellen.

1. Die Raumzeit wird in der Umgebung von Energie gekrümmt.
2. Bewegt sich ein Gegenstand, auf den nur gravitative Kräfte wirken, zwischen zwei Punkten in der Raumzeit, so erfolgt die Bewegung immer auf einer Geodäte.

Quantenphysik

Basis für die Quantenphysik ist die Quantenhypothese von Max Planck. Im weiteren werden der Quantenphysik alle Vorgänge zugeordnet, die sich nicht mittels dieser planckschen Hypothese befriedigend erklären lassen. Die um das Jahr 1900 aufgestellte Annahme stellt neue Erklärungen zu Vorgängen in der Physik auf, die mit klassischen Methoden nicht beschrieben werden können. Dazu gehört das Verhalten physikalischer Größen genauso wie der Welle-Teilchen-Dualismus. Auch der Determinismus von Experimenten und die Feststellung, dass die Beobachtung eines Experimentes dessen Ausgang beeinflusst. Wichtige Teilbereiche der Quantenphysik sind die Quantenmechanik und die Quantenfeldtheorie.

Teilchenphysik

Die kleinsten bekannten Bausteine der Materie, die Elementarteilchen, bilden heute den Schwerpunkt der Teilchenphysik. Aber auch das Wesen von Molekülen, Nukleonen und Atomen sind Inhalte der Teilchenphysik. Aufgrund der Experimente in Teilchenbeschleunigern wird dieser physikalische Unterbereich auch Hochenergiephysik genannt. Die laufenden Ergebnisse und Erkenntnisse aus der theoretischen und praktischen Teilchenphysik werden im sogenannten Standardmodell zusammengefasst.

Astrophysik

Als Teilgebiet der Astronomie werden in der Astrophysik die Grundlagen zur Erforschung von Himmelserscheinungen geschaffen. Die Astrophysik ist die Erweiterung der klassischen Felder Astrometrie und Himmelsmechanik.

Studium der Physik

Die Physik ist neben der Mathematik das wohl anspruchsvollste Fach im Bereich der reinen Naturwissenschaften, was natürlich auch im sehr mathematischen Charakter der Physik begründet liegt. Vereinfacht lässt sich die Physik definieren als die Beschreibung aller natürlichen Vorgänge, ausgedrückt in den Worten der Mathematik. Die übersetzte Bedeutung des Wortes, nämlich Naturlehre oder Naturforschung, ist somit durchaus wörtlich zu nehmen und deutet bereits an, warum die Physik Formelsammlung während des gesamten Studiums eine wichtige rolle spielen wird.

Physikstudium damals und heute: vom Diplom zum Master

Obwohl die Physik sich alleine aufgrund ihres Schwierigkeitsgrades deutlich von den meisten Studiengängen abhebt, teilt sie eine wichtige Gemeinsamkeit, und zwar die Umstellung vom Diplom zum Bachelor / Master-System. Dieses beginnt stets mit dem dreijährigen Bachelor-Studium, an dessen Ende eine drei- bis viermonatige Bachelor-Arbeit steht. Ist diese erfolgreich absolviert, kann der Bachelor-Titel als sogenanntes „kleines Diplom“ entweder als Abschluss genutzt werden, um direkt in den Arbeitsmarkt einzusteigen, oder um ein fortführendes Master-Studium zu absolvieren. Die Beendigung des zweijährigen Masters ist mit dem altbekannten Diplom gleichzusetzen und bietet damit beste Voraussetzungen für attraktive Jobs.

Die Voraussetzungen: Begabung, aber vor allem Disziplin

Wie alle schwierigen Studiengänge, ist die Physik in erster Linie als sehr arbeitsames Fach zu verstehen. Bedeutet: Ohne Disziplin, Ausdauer und die Verschiebung der eigenen Grenzen haben selbst Hochbegabte große Probleme, das Studium erfolgreich zu absolvieren. Grund dafür sind zum einen die hohen Anforderungen in Sachen Transferdenken und Komplexität, zum anderen aber auch die Zusammenhänge zwischen den vielen Teilbereichen, durch die ein stetiges Lernen quasi zur absoluten Voraussetzung wird. Schullehrer, Dozenten und Professoren erwähnen nicht ohne regelmäßig, dass die Physik eben kein sogenanntes Schubladenfach ist, in dem das einmal Gelernte nach der Prüfung vergessen werden kann. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass der Stoff während des ganzen Studiums aufeinander aufbaut, und zwar in höherem Maße, als es bei anderen Studiengängen der Fall ist.

Hinzu kommen natürlich noch die ganz persönlichen Anforderungen an die Fähigkeiten des Studierenden. Obwohl das Studium mit genügend Einsatz in jedem Fall beendet werden kann, zeigt sich gerade in der Physik, dass mathematisch begabte Studenten große Vorteile haben – vor einem respektablen Mindestmaß an Arbeitsbereitschaft schützt dies jedoch nicht.

Die ganze Welt der Wissenschaft – komprimiert in der Physik

Einer der interessantesten Faktoren in der Physik ist die Unterteilung in die vielen einzelnen Themengebiete. Diese beginnen normalerweise bei der Mechanik, also der Bewegungslehre, und führen über Elektromagnetismus und Optik zu hochkomplexen Feldern wie der Atom- und Kernphysik, wo auch die weltberühmte Relativitätstheorie ins Spiel kommt – und zwar auf hohem Niveau.

Ein weiterer Indikator für die Bedeutung der Physik ist die Tatsache, dass Physik in vielen anderen technisch orientierten Fächern zu den Pflicht-Nebenfächern gehört. Die Beispiele dafür sind zahlreich: Ob in der Human-, Zahn- oder Tiermedizin, den Geowissenschaften, der Biologie, der Chemie und natürlich in Informatik, Maschinenbau und Elektrotechnik, ganz zu schweigen von der Mathematik selbst, führt praktisch kein Weg an gewissen Grundkenntnissen in der Physik vorbei, auch wenn die Vorlesungen dort teils in vereinfachter Form abgehalten werden.

Die Ausstattung: Taschenrechner, Bleistift, Formelsammlung

Auch bezüglich des Materials hebt sich die Physik von anderen Fächern ab. An vorderster Front steht dabei der Taschenrechner, der für viele Berechnungen absolut notwendig ist, nicht zuletzt wegen der vielen Naturkonstanten. Doch hier hilft ein so einfaches, wie effektives Hilfsmittel weiter. Die allseits bekannte Formelsammlung. Diese gibt es auch in spezieller Ausführung ausschließlich für das Fach Physik. In dieser Physik Formelsammlung, finden sich dann wichtige Formeln, Sätze und Konstanten die der Physiker braucht. Die Physik Formelsammlung ist in den meisten Klausuren zur Mitnahme zugelassen und stellt die Voraussetzung für ein erfolgreiches Bestehen dar.