(Fr.: physique; Du.: Physik; Eng.: physics) of natuurkunde, fundamentele tak van de natuurwetenschappen, waarvan, doordat de keuze der objecten van studie waarop de fysica zich richt in de loop van de tijd verandert, geen korte en sluitende definitie is te geven.
Wel kan men een aantal belangrijke, typisch tot de huidige fysica behorende deelgebieden aangeven. In de fysica heeft men zich de laatste eeuwen voornamelijk geïnteresseerd voor aspecten van de levenloze natuur; echter zijn in de laatste decennia de biofysica en de medische fysica uitgegroeid tot belangrijke deelgebieden.
Methodiek en beroepsattitude.
Een duidelijker begrenzing, ook ten opzichte van sterk verwante wetenschappen zoals de chemie, is te vinden in de voor fysica kenmerkende methodiek. Met zo weinig mogelijk grondbegrippen en wiskundige formules wordt getracht een zo groot mogelijk aantal verschijnselen kwantitatief te beschrijven. Voor het opsporen en testen van zulke samenhangen (fysische wetten) dient het experiment, uitgevoerd onder nauwkeurig bepaalde, herhaalbare, omstandigheden. Dit geschiedt bij voorkeur in een zgn. afgesloten systeem; of als gevolg van het experiment de aard van de materie verandert, is minder relevant: men denke aan de kernfysica en de hoge-energiefysica. Ook de theoretische fysica is ondenkbaar zonder de met zulke proeven opgedane ervaringen. Voor de beschrijving van verschijnselen maakt de fysicus vaak gebruik van modellen die een afbeelding geven van de wezenlijk geachte fysische grootheden en hun onderlinge samenhang. De hier geschetste methodische aanpak, de daarmee gewonnen inzichten en de daartoe ontwikkelde fysische meetinstrumenten blijken eveneens toepasbaar in vele andere gebieden van wetenschap en techniek. Het onderzoek kan gericht zijn op het verkrijgen van juist zulk inzicht als men nodig meent te hebben voor het tot stand komen van toepassingen (extrinsiek gestuurde fysica), dan wel hiervan los staan en verricht worden louter ter wille van het verleggen der kennisgrenzen (intrinsiek gestuurde fysica).
Bij gebrek aan een korte en sluitende definitie is fysica ook wel omschreven als datgene wat de fysicus ‘ambtshalve’ doet. Dit vraagt dan uiteraard naar een karakterisering van het genus ‘natuurkundige’. Zijn opleiding en de uitoefening van zijn vak brengen inderdaad een bepaalde kijk op de omringende wereld met daarin te onderkennen specifieke problemen met zich mee, alsook een bepaalde attitude. Vele fysici stemmen nog altijd in met de stelregel van lord Kelvin, die zegt dat alleen dingen en verschijnselen die gemeten kunnen worden en uitgedrukt in getallen echte kennis opleveren, en dat kennis die niet in getallen kan worden uitgedrukt mager en onbevredigend is. Voorts kan het causaliteitsbeginsel worden genoemd, terwijl bovendien in de moderne fysica naast getallen ook andere mathematische begrippen, zoals symmetrie, een fundamentele rol spelen. Voor de intrinsieke fysica is Kelvins uitspraak een zinvol en belangrijk richtsnoer. Voor randgebieden zoals biofysica en ook voor de in de techniek toegepaste fysica is het bedenkelijk dit uitgangspunt als absoluut te stellen. En vooral als fysici pogen uitsluitend met een dergelijke vakinstelling maatschappelijke problemen op te lossen, blijkt de zo verworven kennis vaak ontoereikend. Zo kunnen bijv. de als wezenlijk ervaren aspecten van het menselijk doen en laten (en in het algemeen van levensprocessen) niet altijd worden begrepen in termen van eenvoudige causale samenhangen tussen afzonderlijke, kwantitatieve grootheden. Verschillende fysici, ook van de jongere generatie, beseffen dit. Voor een zinvolle, flexibele inpassing van hun vakgebied in het geheel van de maatschappelijke ontwikkeling wordt aangedrongen op een blikverruiming, die kan worden ingeleid door een minder uitsluitend op het eigen specialisme gerichte opleiding. Aan vele universiteiten en hogescholen krijgt dit reeds gestalte.
Het groeiende besef van de interactie tussen wetenschap, technologie en de normen en waarden in de samenleving heeft ook consequenties op organisatorisch niveau. De nationale fysische verenigingen en ook de in 1968 opgerichte European Physical Society besteden aan deze aspecten meer en meer aandacht. Voorts hebben de IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics) en de Unesco hiervoor speciale afdelingen. De Amerikaanse fysicus J.R. Oppenheimer, die een belangrijke rol speelde bij de ontwikkeling van de uraan- en plutoniumbommen, verzette zich tegen het vervaardigen van de waterstof-superbom. Hij benadrukte dat ‘fysici de zonde hebben leren kennen en dit besef niet weer kunnen kwijtraken.’
De kritiek op de minder plezierige verschijnselen die als een gevolg van de ongeremde toepassing van natuurwetenschappen worden beschouwd en vooral de dreigende ‘overproduktie’ van fysici, nu de sterke naoorlogse groeicurve moet worden omgebogen, brengen thans ook de fysici ertoe, zij het later dan bijv. de biologen en de ingenieurs, hun ivoren toren open te zetten. Maar bij alle kritiek op hun mentaliteit en attitude blijven de fysici onderstrepen dat, in de eerste plaats, ook de positieve kanten van het levenspeil en de levenswijze in de moderne maatschappij gebaseerd zijn op de resultaten van de natuurwetenschappen in het algemeen en die van de fysica in het bijzonder, en voorts dat intrinsiek gestuurde fysica (streven naar inzicht in het wezen van materie en kosmos) een belangrijk cultuurgoed is. De taak deze inzichten uit te dragen naar een zo breed mogelijk publiek door een verantwoorde popularisering van de wetenschap is door Victor Weisskopf even belangrijk genoemd als het beoefenen van de fysica zelf.
Rol in de maatschappij.
H.B.G. Casimir heeft de wisselwerking tussen wetenschap en techniek beschreven als een, nagenoeg autonoom, spiraalachtig voortschrijden. Zo ontwikkelden in de jaren dertig bijv. de kernfysici ten behoeve van radioactiviteitsmetingen elektronische telschakelingen die later de basis van computers vormden. Computers stellen op hun beurt kernfysici (en vele andere onderzoekers) in staat zeer complexe problemen aan te pakken, die men voordien niet goed kon oplossen. Gebaseerd op het theoretisch-fysisch inzicht van de gestimuleerde emissie (stammend uit het begin der jaren twintig) konden, met sinds de komst van de transistor sterk verbeterde methoden van kristalgroei en materiaalbeheersing, de lasers worden gerealiseerd die op hun beurt een renaissance in vele takken van natuurwetenschap en techniek hebben teweeggebracht (zie hierna: Optica).
Het gevoel voor dergelijke wisselwerkingen heeft er na de Tweede Wereldoorlog een nieuwe dimensie bij gekregen: die van de wisselwerking van de natuurwetenschappen met de samenleving als geheel. De bewustwording hiervan is in de jaren zeventig in een stroomversnelling geraakt nadat in 1972 de fysicus Meadows zijn computermodel voor de wereldeconomie ‘Grenzen aan de groei’ publiceerde. Het verloop van het ‘spoetnik-syndroom’ (de schok die de lancering van de eerste aardsatelliet door de Sovjet-Unie in de Verenigde Staten teweegbracht), de algemeen gevoelde dreiging van een voortdurende kernbewapeningswedloop (kwalitatief door verdere wetenschappelijke perfectionering en kwantitatief o.a. door verspreiding naar andere landen), de actueel wordende consequenties van het toepassen van kernsplitsing voor energieopwekking, de aandrang alternatieve energiebronnen te ontwikkelen zijn duidelijke illustraties van de steeds belangrijker wordende interactie tussen natuurwetenschap, technologie en normen en waarden in de samenleving. Samenvattend kan worden gesteld dat de elkaar aanvullende aspecten van de fysicus als persoon, van zijn methodiek en van zijn vakgebied gezamenlijk aanduiden wat wij onder fysica dienen te verstaan.
Deelgebieden in de huidige natuurkunde.
Aan de basis van de gehele fysica, en elk deelgebied op de een of andere wijze doordringend, staat de theorie van fundamentele natuurkrachten, waarvan de fysica vier wezenlijk verschillende onderscheidt. Voor de beide klassieke vormen van krachtwerking (de elektromagnetische krachten en de gravitatiekracht) is de beschrijvingswijze met velden algemeen bekend. In de quantummechanica, en meer in het bijzonder in de quantummechanische veldentheorie, wordt de werking van een kracht tussen twee deeltjes beschreven als een voortdurend onderling uitwisselen van ‘velddeeltjes’. De velddeeltjes van de bovengenoemde klassieke krachten zijn in die theorie resp. het foton en het graviton. Bij bepaalde elementaire deeltjes kunnen, behalve de beide genoemde krachten, de zgn. sterke en zwakke wisselwerkingen optreden, die als velddeeltjes het pion en het (vooralsnog hypothetische) intermediaire boson hebben. De grootten van de sterke, de elektromagnetische, de zwakke en de gravitatiewisselwerking verhouden zich ongeveer als resp. 1 : 10−2 : 10−14 : 10−40.
De quantummechanica, die in de jaren twintig en dertig reeds een hechte basis leverde voor de atoomtheorie, voor de moleculaire binding en voor de vastestoffysica, blijkt in haar relativistische vorm ook in staat een bevredigend mathematisch formalisme voor de kernkrachten te geven. Er zijn aanwijzingen dat voor de beschrijving van wisselwerkingen die zich binnen elementaire deeltjes, zoals het proton en het neutron, afspelen nog een vijfde soort kracht (superzwakke wisselwerking) moet worden aangenomen.
De fysische deelgebieden laten zich wellicht het overzichtelijkst ordenen naar toenemende afmetingen van de bestudeerde objecten. Van de elementaire deeltjes (het object van de hoge-energiefysica) tot aan de gehele kosmos (dat van de kosmologie en de astrofysica) bestrijken de deelgebieden een reeks van afmetingen die, evenals de sterkte van natuurkrachten, in getalwaarde een verhouding van 1:1040 omspannen! Volgens het genoemde criterium kan de volgende indeling in deelgebieden worden gegeven.
1. Fysica der elementaire deeltjes,
ook wel hoge-energiefysica genoemd, omdat voor de bestudering van hun eigenschappen de deeltjes doorgaans tot zeer hoge energieën moeten worden versneld (de tot dusver krachtigste versneller, de Batavia-versneller in de Verenigde Staten, kan protonen tot 200 GeV versnellen). De hypothese van quarks als oerbouwstenen van de materie heeft voorlopig orde geschapen in de ‘bevolkingsexplosie’ der elementaire deeltjes. Hun aantal en diversiteit groeiden schrikbarend met elke toename van de grootte der versnellingsmachines, waarin zij door botsingsprocessen worden geproduceerd. Zij blijken nu in een overzichtelijk schema van zgn. supermultipletten te kunnen worden gerangschikt. Een belangrijk succes van deze ordening was de voorspelling van het Ω−-deeltje, dat bij zijn latere experimentele ontdekking precies de door de quarktheorie voorspelde eigenschappen bleek te bezitten. Voorts hebben botsingsproeven aangetoond dat het inwendige van het proton een ‘korrelige' structuur heeft, hetgeen als een tamelijk direct experimenteel bewijs van de realiteit van quarks kan gelden.
2. Kernfysica.
Een belangrijk gebied van onderzoek is dat der transuranen. De tot dusver gemaakte superzware elementen (met atoomnummers Z tot reeds aanmerkelijk meer dan 100) zijn zeer instabiel. Men verwacht echter bij nog zwaardere kernen weer één of meer Z-gebieden met een grotere levensduur (van enkele jaren) aan te treffen. Wegens hun grote invangsdoorsnede voor neutronen zouden daarmee zeer effectieve kernreacties mogelijk zijn. De militaire interesse hiervoor blijkt groot, zowel in de Verenigde Staten als in de Sovjet-Unie. Neutrinofysica is een belangrijk hulpmiddel voor het testen van zwakke interacties en voor het volgen van de processen die zich in het binnenste van de sterren afspelen; voor het waarnemen van neutrino’s zijn bellenvaten geconstrueerd die 300 t detectievloeistof bevatten. Kernreactoren en deeltjesversnellers hebben over het gehele Periodiek systeem der elementen meer dan viermaal zoveel isotopen opgeleverd dan het in de natuur voorkomende aantal stabiele kernen bedraagt. Verscheidene hiervan vinden belangrijke medische toepassingen.
3. Atoom- en molecuulfysica.
Hierin is een opleving gaande, die vooral te danken is aan de door lasers en atoom- en molecuulversnellers geboden nieuwe experimenteermogelijkheden. Met (nauwkeurig afstembare) lasers werd bovendien het spectroscopische gebied tussen dat van de microgolven en het infrarood toegankelijk. Door een betere kennis van de parameters die het verloop van atomaire en moleculaire reacties bepalen is het mogelijk geworden fysische chemie te bedrijven aan de hand van computermodellen, zonder dat men de experimenten met reële stoffen in werkelijkheid uitvoert.
4. Fysica van de gecondenseerde toestand.
De meeste aardse materie en ook het merendeel van onze gebruiksvoorwerpen en werktuigen verkeert, dank zij de hier heersende temperaturen en drukken, in de vaste (kristallijne), de amorfe dan wel de vloeibare toestand. De verdere ontwikkeling van vaste-stofdevices, zoals ladinggekoppelde schuifregisters en geheugens van silicium, magnetische bubbelregisters, beeldweergave (voornamelijk van cijfers en letters) met luminescerende vastestofdiodes en vloeibare-kristallaagjes, alsmede de grootschalige integratie van transistors, is een gevolg van steeds verfijndere technieken en hulpmiddelen voor het onderzoek. Genoemd worden hier slechts de dotering en het structuuronderzoek door beschieting met versnelde ionen (ionenimplantatie) en het onderzoek aan oppervlakken met langzame-elektronendiffractie, met augerelektronenspectroscopie, en met verstrooiing van langzame ionen. Het onderzoek aan allerlei typen oppervlaktegolven in piëzo-elektrische materialen heeft nieuwe filters voor elektromagnetische golven opgeleverd, waarbij geen zelfinducties nodig zijn.
In de lage-temperatuurfysica heeft men weliswaar een goed inzicht verkregen in het wezen van de suprageleiding, maar aan de praktisch bereikbare verhoging van de kritische temperatuur lijkt een grens gesteld (bij ca. 24 K). Dit is een beperking voor grootscheepse toepassing (bijv. voor elektriciteitstransport). Het op de suprageleiding gebaseerde josephsoneffect, dat een nauwkeuriger bepaling van de verhouding der natuurconstanten h en e heeft mogelijk gemaakt, vindt o.a. praktische toepassing in zeer gevoelige infrarooddetectoren.
5. Optica wordt weliswaar toegepast als onderzoekmethode in vrijwel alle deelgebieden maar verdient toch een afzonderlijke vermelding, al was het alleen al om de laser, die een renaissance van de klassieke optica heeft ingeleid. De optische instrumentatie kon sterk worden verbeterd, de holografie leidde o.a. tot de mogelijkheid driedimensionale röntgenbeelden op te bouwen (via tomosynthese). De laser zal zijn eerste toepassing op grote schaal waarschijnlijk vinden in apparatuur voor beeldweergave door middel van langspeelplaten. Voor lasers bestaan verder belangrijke toepassingen in de materiaalbewerking, bij medische operaties en bij nauwkeurig automatisch meten (ook bij militaire projectielen) (zie ook hierna: Plasmafysica). De optica van dunne lagen heeft het mogelijk gemaakt zowel het rendement van natriumstraatverlichting te verdubbelen als optimale lagen voor zonnecollectoren en vensterglazen met goede warmte-isolatie te vervaardigen.
6. Akoestiek, mechanica en stromingsleer hebben eveneens nieuwe impulsen gekregen door nieuwe onderzoektechnieken en inzichten, verkregen in de optiek en in de fysica van de gecondenseerde toestand.
7. Plasmafysica heeft als object mengsels van geïoniseerde atomen en elektronen die zich op zeer hoge temperatuur bevinden en als geheel neutraal zijn. Sterren en ook de aardse ionosfeer bevinden zich in deze vierde aggregatietoestand. Met behulp van bijv. een door zeer krachtige lasers opgewekte implosie probeert men een plasma van zware waterstof (D en T) van een voldoend grote dichtheid en een zeer hoge temperatuur zo lang in stand te houden dat er kernfusie optreedt. Verwacht wordt dat dit onderzoek, waaraan in internationaal verband in W.-Europa, de Sovjet-Unie en de Verenigde Staten honderden fysici werken, vóór het jaar 2000 wellicht leidt tot een nieuwe mogelijkheid van energieopwekking, die minder veiligheids- en pollutieproblemen zou oproepen dan de op uraan en plutonium gebaseerde splijtingsreactoren.
Een zijtak van dit plasmaonderzoek is de magnetohydrodynamica, waarbij men, door scheiding van de positief en negatief geladen componenten van een stromend plasma in een statisch magnetisch veld, het rendement van de opwekking van elektriciteit zou kunnen verhogen.
8. Kosmologie en astrofysica.
De radioastronomie, aangevuld met metingen van kosmische röntgenstraling in als laboratoria uitgeruste aardsatellieten, hebben nieuwe verschijnselen in ons heelal geopenbaard, bijv. die van de pulsars. Men weet nu dat een ster, als zijn waterstof en helium door fusie zijn verbruikt, eerst door gravitatiekrachten tot een zeer dichte plasmabal ineenkrimpt. Voor een bepaalde minimale waarde van de beginmassa (1,4 maal de zonmassa) is het eindprodukt een neutronenster, die aan snelle fluctuaties onderhevig kan zijn. Bij aanzienlijk grotere beginmassa’s zet de gravitatiecontractie door totdat een zgn. zwart gat ontstaat, waaruit geen straling en deeltjes meer kunnen ontsnappen. Ook voor ‘witte gaten’ (het inverse proces), alsmede voor intense recombinatiestraling van materie en antimaterie bestaan thans experimentele aanwijzingen. Gravitatiegolven, die het ineenstorten, resp. het binnentreden van een ster in onze kosmos zouden moeten begeleiden in de vorm van gravitonen, zijn nog niet met zekerheid aangetoond.
9. Voor een beschrijving van deelgebieden als geofysica, biofysica enz. zij verwezen naar de desbetreffende artikelen.