Natuurkunde, - 1) experimenteele of proefondervindelijke, omvat de leer der natuurverschijnselen, en wel voornamelijk die der levenlooze natuur. Men kan een verschijnsel waarnemen zooals het zich in de natuur voordoet, en de omstandigheden nagaan, die daarop invloed uitoefenen, maar meestal geeft men er de voorkeur aan, het verschijnsel opzettelijk te doen optreden, door een proef, waarbij men de omstandigheden kan wijzigen en zoo hun invloed beter kan vaststellen. Een dergelijk proefondervindelijk onderzoek kan zijn qualitatief, als men zich alleen met den aard van het verschijnsel bezig houdt, zonder nog de daarbij voorkomende grootheden in getalwaarden uit te drukken, of quantitatief, als men deze grootheden gaat meten. Zoodra door deze methoden de feiten voldoende zijn vastgesteld, is het de taak van de theoretische natuurkunde, om door het maken van algemeene gevolgtrekkingen met behulp van wiskundige methoden dit verschijnsel met andere feiten in verband te brengen door middel van hypothesen en theorieën, die ons moeten dienen om de natuurverschijnselen te overzien en hun optreden te voorspellen, zoodra alle medewerkende omstandigheden bekend zijn, terwijl tevens daardoor aan het proefondervindelijk onderzoek de weg wordt gewezen, welken het moet volgen om vruchtdragend te zijn. — In hoofdtrekken heeft dan ook de theoret. n. als richtsnoer gediend voor de proefondervindelijke, nadat op zeker gebied de eerste proeven aan de theorie een zekeren weg hadden gewezen.
Deze leidende rol der theorie treedt bij een bepaalde groep verschijnselen des te sterker op den voorgrond, naarmate de ontwikkeling ervan verder gevorderd is. In het hedendaagsche stadium der n. is het nauwelijks meer denkbaar, dat een proefondervindelijk onderzoek wordt aangevangen zonder eenigen theoretischen grondslag. Het vroegst zijn proefondervindelijk bestudeerd de mechanische eigenschappen van vaste lichamen, vloeistoffen en gassen, als zijnde het meest voor de hand liggend. Daarnaast werd, voornamelijk sedert het begin der 18e eeuw, ook aan de verschijnselen van het geluid, der warmte, der electriciteit en van het licht meer aandacht geschonken. Aanvankelijk stonden deze groepenverschijnselen geheel afzonderlijk van elkaar. Eerst langzamerhand ging men, geleid door de theorie, op haar beurt weer gesteund door het proefondervindelijk onderzoek, verband leggen tusschen de verschillende groepen.
Zulks geschiedde eerst vanaf het midden der 19e eeuw omstreeks. — In het laatste deel van de vorige eeuw heeft de proefondervindelijke natuurkunde een groote vlucht genomen. Terwijl vroeger de onderzoekers meestal op eigen middelen waren aangewezen, zijn nu overal op kosten van den staat en andere publieke lichamen natuurkundige laboratoria verrezen, waar natuurkundig onderwijs wordt gegeven, en waar verder gelegenheid is voor zelfstandig natuurkundig onderzoek. Het aantal publicaties van zulke onderzoekingen in de wetenschappelijke tijdschriften wijst er op hoe druk daarvan wordt gebruik gemaakt. Vandaar het steeds toenemende aantal tijdschriften en werken op natuurkundig gebied en de toenemende omvang ervan. Als het voornaamste op dit gebied mag worden genoemd:
A. Nederlandsche werken, a. Zittingsverslagen en tijdschriften: De verslagen en mededeelingen benevens de verhandelingen van de Kon. Ak. van Wetenschappen, afd. natuurkunde, te Amsterdam; Archives Néerlandaises, uitgegeven door de Holl. Maatsch. v. Wetensch. te Haarlem; de werken van het Bataafsch Genootschap der proefondervindelijke wijsbegeerte, te Rotterdam; Archives du Musée Teyler, te Haarlem; Communications from the physical laboratory, te Leiden; Physica, Nederl. tijdschrift voor Natuurkunde), b. Handboeken: Bosscha, Leerboek der natuurkunde, waarvan de nieuwste druk (Leiden 1895) is bewerkt door: Bosscha (mechanica, algemeene eigenschappen), van Schaik (trillingsleer en geluid), Kuenen (warmte), Sissingh (licht), Wind (electriciteit en magnetisme); Lorentz, Beginselen der natuurkunde (7e druk, Leiden 1918-1919, bewerkt door H. A. Lorentz en L. H. Siertsema), en tal van andere werken. — B. Onder buitenlandsche werken zijn te noemen: a. Zittingsverslagen en Tijdschriften: Berliner, Münchener, Wiener Sitzungsberichte; Göttinger Nachrichten; Annalen der Physik; Verhandl. d. Deutschen Physikalischen Gesellschaft (verschijnt vanaf 1920 als Zeitschr. f. Physik); Physikalische Zeitschrift; Jahrbuch d. Radioaktivität u. Elektronik; Comptes Rendus de l’Ac. des Sc., Parijs; Annales de chimie et de physique; Journal de Physique; Philos. Transactions of the Royal Soc., Londen; Philos. Magazine; Physical Review; Rendiconti della R. Ac. dei Lincei, Rome. b. Handboeken: Winkelmann, Handbuch der Physik; Wüllner, Lehrbuch der Experimentalphysik; Müller-Pouillet-Pfaundler, Lehrbuch der Physik und Meteorologie; Chwolson, Lehrbuch der Physik; Jamin et Bouty, Cours de physique. Een uitvoerige beschrijving van de methoden en hulpmiddelen voor het proefondervindelijk onderzoek vindt men in Kohlrausch, Lehrbuch der praktischen Physik. — 2) theoretische en mathematische; het inbegrip van de onderdeelen der natuurkunde, die overwegend met behulp der wiskunde, en wel hoofdzakelijk der differentiaalvergelijkingen, plegen te worden behandeld. Vanaf het oogenblik dat een groep van verschijnselen in de proefondervindelijke natuurkunde aan meting kan worden onderworpen — en dit is thans meestal spoedig na de ontdekking het geval — is zij voor quantitatieve behandeling rijp en vormt dan veelal een aangewezen onderwerp voor de behandeling met behulp der wiskunde. De wijze, waarop daarbij in bijzondere gevallen te werk wordt gegaan, is zeer verschillend en laat zich niet duidelijk toelichten zonder voorbeelden en wiskundige ontwikkelingen.
In den lateren tijd is door H. Poincaré en E. Mach veel licht verspreid over het algemeen verband tusschen proefonderv. en theor. n. Gaandeweg zijn de meeste hoofdstukken der n. onder het bereik van mathematische methoden geraakt. Er wordt gewoonlijk een onderscheid gemaakt tusschen theoretische en mathematischen. Nadat een groep natuurkundige verschijnselen proefondervindelijk is onderzocht, is het veelal mogelijk, de verschijnselen mathematisch te formuleeren, waarbij in veel gevallen zekere hypothesen worden ingevoerd. Daarop kunnen dan weer uit de opgestelde formules andere gevolgtrekkingen mathematisch worden gemaakt, waaraan de formules resp. hypotheses getoetst kunnen worden. Aldus is het mogelijk langs den weg der deductie nieuwe verschijnselen te voorspellen en proefondervindelijk na te gaan in hoeverre de opgestelde formules resp. hypothesen bruikbaar zijn. Dit alles is de ontwikkelingsgang der theoretische n. Hebben echter de op een bepaald deel der n. betrekking hebbende formules experimenteel een zoodanigen steun verkregen, dat aan de juistheid ervan binnen een zeker gebied niet meer getwijfeld behoeft te worden, dan is het oplossen van bepaalde problemen uit dat deel der n., waarbij bedoelde formules het punt van uitgang zijn, taak der mathematische n. Een typisch voorbeeld hiervan bevat de theoretische mechanica, waarbij wordt uitgegaan van een stelsel vergelijkingen, dat tot voor korten tijd voor onomstootelijk juist gold en zulks ook binnen een zeker gebied van snelheids- en massaverdeeling is (zie RELATIVITEITSTHEORIE); de theoretische mechanica wordt zelfs veelal, hoewel ten onrechte, als een tak der wiskunde beschouwd. Reeds Archimedes ontwikkelde de wiskundige beginselen van het evenwicht der vaste en vloeibare stoffen; 18 eeuwen later ontdekte Galilei de wetten der beweging, die door Newton en Huygens in zeer algemeenen vorm werden gebracht en op tallooze vraagstukken werden toegepast; hun navolgers breidden deze theorieën uit en brachten ze tot een hoogen trap van volmaaktheid. Voor korten tijd toonde Einstein er echter de begrensde geldigheid van aan.
Bij dit alles werd ruimschoots gebruik gemaakt van de voor dit doel uitermate geschikte infinitesimaalrekening. Intusschen was men in het begin der 19e eeuw met den opbouw der hemelsche en aardsche mechanica, waaronder ook die der vloeistoffen, de hydromechanica, weliswaar ver gevorderd, maar andere onderdeelen der natuurkunde waren van den machtigen invloed dier mathematische hulpmiddelen nog tennaastenbij verstoken gebleven. M. a. w. de math. n. in den hedendaagschen zin moest nog worden geboren. — Als haar vader beschouwt men veelal J. B. J. Fourier, die in zijn hoofdwerk „Théorie analytique de la chaleur” in 1822 den grondslag legde voor algemeene methoden, die later op elk gebied vruchtbaar bleken. Hij behandelde daarin uitvoerig de mathematische theorie der warmtegeleiding; uitgaande van eenvoudige onderstellingen, grootendeels zoo niet geheel door de hem toen ten dienste staande proefondervindelijke ervaring gewettigd, geraakte hij tot een algemeenen opzet voor alle dergelijke vraagstukken en wist dien in den vorm eener karakteristieke partiëele differentiaalvergelijking uit te drukken. Hij toonde aan hoe deze vergelijking te integreeren, m. a. w. op te lossen, voor een groot aantal bijzondere gevallen en hoe de daarbij optredende willekeurige constanten te bepalen door ze te toetsen aan z.g. grens-, begin- of eindvoorwaarden. Een dergelijke rekenwijze treedt telkens in de math. n. op den voorgrond, vandaar het groote methodologische belang van Fourier’s werk. Incidenteel ontwikkelde hij daarin de naar hem genoemde reeksen alsmede de theorie der dimensiën, die in de moderne n. onmisbaar zijn. En daarenboven bleek later, dat een aantal verschijnselen wiskundig denzelfden opzet eischen en dus tot formeel dezelfde differentiaalvergelijking leiden als die der warmtegeleiding.
Hiertoe behooren de geleiding der electriciteit, de diffusie van opgeloste stoffen in een oplossingsmiddel of wel van twee vloeistoffen of gassen onderling, verder de potentiaalverdeeling in het electrostatische en magnetostatische veld. — Van niet minder belang voor de ontwikkeling der mathem. n. is een „Essay” van Green te Nottingham, spoedig daarna (1828) verschenen doch langen tijd in vergetelheid geraakt. Daarin worden wiskundige methoden op electrische en magnetische verschijnselen toegepast; de verkregen uitkomsten onderscheiden zich door groote algemeenheid en vormen den grondslag der potentiaaltheorie en van alle daarmede verwante theorieën; het z.g. theorema van Green is een der meest omvattende op dit gebied. — In de eerste helft der 19e eeuw is de verdere ontwikkeling voornamelijk aan de klassieke Fransche school te danken; Poisson, Ampère, Cauchy, Fresnel onderwierpen de verschijnselen van het magnetisme, de electrodynamica, het licht aan een bewerking met behulp van het scherpe en fijne werktuig der mathematische analyse. De verdere ontwikkeling der mathem. n. in de tweede helft der 19e eeuw is daarentegen voornamelijk het werk van Engelsche en Duitsche geleerden. In Engeland droeg daartoe wel het meeste bij Lord Kelvin (W. Thomson); in een lange reeks van onderzoekingen bewoog deze zich op schier elk gebied der n., en was hij een der eersten, die ook vraagstukken der toegepaste n. met wiskundige hulpmiddelen trachtte te benaderen. Zoo was het aan hem te danken, dat de transatlantische kabeltelegrafie na vele moeilijkheden tot een bevredigend hulpmiddel van het wereldverkeer werd; hij was de eerste, die langs analytischen weg tot juiste voorstellingen aangaande de voortplanting van den electrischen stroom in onderzeesche kabels met hun aanmerkelijke capaciteit geraakte. Belangrijke bijdragen tot de theorie der buiging, interferentie en polarisatie van het licht alsook van de hydrodynamica heeft men aan Stokes te danken. J. C. Maxwell kleedde de door Faraday op grond zijner ontdekkingen ontwikkelde opvattingen op electro-magnetisch gebied in een mathematisch gewaad; zijn theorieën, ook de electromagnetische lichttheorie, hebben zich langzamerhand, na de experimenteele bevestiging ervan door H. Hertz (1888), algemeen aanhangers verworven.
Vanaf dien tijd vormen de vergelijkingen van Maxwell het uitgangspunt van een deel der mathem. n. n.l. van de theorie der electromagnetische verschijnselen. — In Duitschland leidde Helmholz een nieuw tijdperk in met zijn verhandeling „Über die Erhaltung der Kraft” (1847), waarin het beginsel van het behoud van arbeidsvermogen, in de mechanica toen ter tijde reeds algemeen erkend, ook tot alle andere onderdeelen der n. werd uitgebreid; ook voor de mathematische behandeling van de meest verschillende vraagstukken bleek het hoogst vruchtbaar. Verdere mathematische onderzoekingen van dezen natuurkundige betreffen o. a. de hydrodynamische theorie der wervelbeweging, de theorie van het geluid, de electrodynamica, de z.g.n. monocyclische stelsels, de thermodynamica van chemische processen, een electromagnetische theorie der dispersie. Met zeldzame veelzijdigheid werden door hem tot welhaast ieder hoofdstuk der n. bijdragen geleverd; ook strekte zich zijn onderzoek veelal uit tot op het gebied der physiologie en der wijsbegeerte, terwijl hij ten slotte den weg wees hoe men ook in ingewikkelde weerkundige vraagstukken met de methoden der math. n. een nader inzicht kan verkrijgen. — Clausius heeft men als den grondlegger der thermodynamica te beschouwen, die hij op de theorie van S. Carnot en het beginsel van behoud van arbeidsvermogen opbouwde. Aan Kirchhoff heeft men de mathematische theorie der spectraalanalyse en van de emissie en absorptie der straling in ’t algemeen te danken, benevens andere geschriften en leerboeken, die zich door een elegante beknoptheid van den wiskundigen vorm onderscheiden. Zijn geschriften zijn ook als typeerend voor de methode der mathem. n. te beschouwen. De jong overleden H. Hertz leverde, behalve zijn schitterend proefondervindelijk werk, ook vele oorspronkelijke bijdragen tot de mathematische electriciteitstheorie, alsmede tot de mechanica. — Ten onzent heeft de theoret. en math. n. in den laatsten tijd eveneens een hooge vlucht genomen. Van der Waals schonk ons o. a. de toestandsvergelijking en den regel der overeenkomstige toestanden. Van ’t Hoff toonde aan hoe men de wiskunde ook op scheikundig gebied kan toepassen en schiep zoodoende de physische chemie.
Lorentz begon de electromagnetische lichttheorie uit te breiden en vele harer leemten aan te vullen met behulp van zijn electronentheorie, die in de n. algemeen is aanvaard en zeer vruchtbaar is gebleken voor de verklaring van vele verschijnselen, b.v. op het gebied der gasontlading, der theorie van het electrisch geleidingsvermogen, van de electrische en optische verschijnselen in zich bewegende lichamen, van de dispersie en absorptie van het licht, enz. Uit de toepassing der electronentheorie op zich bewegende lichamen is de relativiteitstheorie van Einstein voortgekomen, door hem in verband gebracht met de gravitatie. Om de verschijnselen der warmtestraling te kunnen verklaren, werd door Planck de quantenhypothese ingevoerd, welke op velerlei gebied zeer vruchtbaar bleek, vooral ook in samenhang met de theorie van Bohr omtrent de constitutie van het atoom (zie ATOOMMODEL); de op dit gebied met de verschillende theorieën gemaakte conclusies zijn vaak in verrassende overeenstemming met het experiment. Tegenwoordig staat de theorie van het atoommodel van Bohr, waaraan verschillende natuurkundigen uitbreidingen en wijzigingen hebben aangebracht, zeer op den voorgrond; de theorie der radioactieve verschijnselen en die der Röntgenstralen staat hiermede in nauw verband. Inmiddels hebben de verschijnselen der absorptie en dispersie van het licht, voorts van electroöptische en magnetoöptische verschijnselen van uit dit standpunt beschouwd nog geen geheel bevredigende verklaring kunnen vinden. — Een algemeen en betrekkelijk elementair overzicht der math.n. vindt men in het leerboek van den Deenschen natuurkundige C. Christiansen; hiervan verscheen te Leipzig een Duitsche vertaling: Elemente der theoretischen Physik (Leipzig, 3e druk 1910, mede bewerkt door J. J. C. Müller).
Algemeene standaardwerken vormen de cursussen van Kirchhoff, Helmholtz en van H. Poincaré, door hun leerlingen bewerkt, alsmede deel 4 en 5 van de in de Duitsche en Fransche taal verschenen Encyclopaedie der mathematische wetenschappen (Leipzig), van talrijke citaten voorzien. Voorts de Lessen over theoretische natuurkunde van H. A. Lorentz (bewerkt door zijn leerlingen, Leiden 1919), het Repertorium der Physik door R. H. Weber en R. Gans (Leipzig en Berlijn 1915), terwijl ten slotte vermeld dient te worden het standaardwerk van Riemann-Weber, Die partiellen Differential-gleichungen der methematischen Physiek (2 deelen, Brunswijk, 5e druk, 1910-12). Vele werken zijn er geschreven over speciale onderdeelen der mathem. n.; hier mogen als bekende schrijvers op dit gebied worden genoemd: Abraham, Appell, Boltzmann, Boussinesq, Brillouin, Bryan, Drude, Duhem, Einstein, Hertz, Lamb, Lorentz, Love, Mascart, Maxwell, Planck, Routh, J. J. Thomson, W. Thomson (Lord Kelvin), Voigt, van der Waals e. a., opgave van wier werken is gedaan telkens bij de korte biographische aanteekeningen, de schrijvers betreffende. — Schrijvers over theoret. en math. n. maken in den regel van dezelfde tijdschriften en zittingsverslagen gebruik, die ook aan de proefondervindelijke n. gewijd zijn. — In de kosmische natuurkunde worden de door de n. verkregen resultaten toegepast op de verschijnselen, die zich afspelen aan de oppervlakte der aarde, in den dampkring der aarde en in het heelal. Vandaar is de kosmische physica te verdeelen in drie hoofddeelen: de natuurkundige aardrijkskunde of geophysica, de meteorologie en de astronomie of sterrekunde met inbegrip van de astrophysica. — De toegepaste n. houdt zich bezig met de toepassingen op thechnisch gebied van de n. en omvat de verschillende ingenieurswetenschappen.
