1. Um námsefnið

Þetta námsefni er ætlað þeim sem eru að hefja nám við Verkfræði- og Náttúruvísindasvið Háskóla Íslands.

Farið er yfir helstu atriði eðlisfræðinnar sem reiknað verður með að nemendur hafi séð fyrr á skólagöngu sinni.

Efnið er sett fram til að gefa nemendum tækifæri til að skerpa á þessum atriðum áður en kennsla hefst.

Í námskeiðunum Eðlisfræði 1V, Eðlisfræði 1R og Eðlisfræði B má reikna með að farið verði hratt yfir þessi atriði.

1.1. Hvað er eðlisfræði?

Eðlisfræði er grein raunvísindanna þar sem skoðað er samhengi efnis, orku, ljóss, tíma og rúms.

Meginmarkmið eðlisfræðinnar er að skilja hegðun alheimsins en rannsóknir á sviðum hennar, líkt og annarra vísinda, eru gerðar til þess að þróa greinina áfram, án tilliti til hagnýtinga. Hagnýtingar blasa hinsvegar við þegar miklar uppgötvanir verða og því er góður skilningur á eðlisfræði nauðsynlegur öllum þeim sem vilja að finna upp nýjar, sniðugar lausnir.

Eðlisfræðin varð að afmarkaðri grein vísindanna á 17. öld, þegar eðlisfræðingar tóku að beita vísindalegum aðferðum til þess að rannsaka eðlisfræðileg lögmál (e. laws of physics). Eftir framþróun í ljósfræðum tóku menn að þróa stjörnusjónauka. Þá komust Kepler og Galíleó að því að jörðin færi í kringum sólina (en ekki sólin í kringum jörðina eins og áður var talið) og settu fram jöfnur sem lýstu hreyfingum í sólkerfinu. Leibniz og Newton settu báðir fram stærðfræðigreiningu (e. calculus), eitt sterkasta stærðfræðitól eðlisfræðinga, og Newton setti líka fram lögmál um krafta og þyngdarsvið. Viðfangsefni á borð við aflfræði (e. classical mechanics), varmafræði (e. thermodynamics), efnafræði (e. chemistry) og rafsegulfræði (e. electrodynamics/electromagnetism) tóku stór skref í tengslum við iðnbyltinguna á fyrri hluta 19. aldar.

Allt þetta snýst um stórsæja (e. macroscopic) efnisheiminn, þann sem við sjáum og finnum fyrir hvert sem við lítum. Við köllum þetta klassíska eðlisfræði (e. classical physics).

_images/newtonleibniz.jpg

Líkön klassísku eðlisfræðinnar pössuðu vel við það sem mæla mátti, en með framförum í mælitækni kom í ljós að þau voru ekki fullkomin þegar skoðuð voru afar lítil kerfi. Undir lok 19. aldar fóru eðlisfræðingar því að velta fyrir sér hvað væri að gerast í hinum smásæja (e. microscopic) heimi. Upp frá þessu spratt nútíma eðlisfræði: skammtafræði (e. quantum mechanics), kjarneðlisfræði (e. nuclear physics), öreindafræði og afstæðiskenningin . Nútímaeðlisfræðin útskýrir flest það sem sést í klassísku eðlisfræðinni.

Tilkoma nútímaeðlisfræðinnar í upphafi síðustu aldar olli miklu umróti í vísindaheiminum en margir eðlisfræðingar lögðu sitt af mörkum. Hefð er fyrir því að kenningar, jöfnur og fastar heiti eftir upphafsmanni sínum og því þekkja eðlisfræðingar nútímans til þeirra sem lögðu grunninn að viðfangsefnum nútímans.

_images/solvay.jpg

Þessi mynd er tekin í október 1927, á fimmtu Solvay-ráðstefnunni í Brussel. Þá var nútímaeðlisfræðin að taka stór skref og í fararbroddi voru ungir eðlisfræðingar með háleitar hugmyndir. Þar voru saman komnir mestu eðlisfræðingar 20. aldar, meðal annars Einstein, Schrödinger, Lorentz, Curie og Bohr . Af þeim 29 sem mættu á ráðstefnuna fengu 17 Nóbelsverðlaun en Curie var sú eina þeirra sem fékk Nóbelsverðlaun í fleiri en einni grein (eðlisfræði og efnafræði).

Nú á dögum er helsta áskorun eðlisfræðinnar að útbúa kenningu sem sameinar allt það sem þekkt er fyrir, alkenningu (e. unified field theory ).

Námskeiðin Eðlisfræði 1V, Eðlisfræði 1R og Eðlisfræði B fara aðallega í klassíska aflfræði.