Kapitel
Vom Archimedischen Prinzip, das bis in die Zeit um 250 vor unserer Zeit zurückreicht, bis zum Wettlauf um den Beweis der Quantengravitation hat die Eigenart der physikalischen Welt den menschlichen Geist so angeregt wie kaum eine andere Disziplin. Und doch haben viele Leute Angst vor der Physik. Schüler*innen scheuen sich es zu lernen, und die Schulen berichten vermehrt über Schwierigkeiten qualifizierte Physik- (und Mathematik-) Lehrer zu gewinnen und zu halten. So kompliziert und abgehoben sie uns vorkommen mag, begleitet uns die Physik in unserem Alltag ständig. Sie ist kein abstraktes Konstrukt, sondern der Versuch, natürlich auftretende Phänomene zu erklären. Das weite Feld der Physik reicht von der Mechanik über die Elektrotechnik bis hin zur Optik und Akustik. Während in der Quantenphysik die kleinstmöglichen Teilchen betrachtet werden, beschäftigt sich die Astronomie mit den Weiten des Weltalls und unvorstellbar großen Körpern, die sich darin befinden. Wer sich für ein Physikstudium einschreibt, wird sich früher oder später für einen Teilbereich des Fachs entscheiden und sich darauf spezialisieren. Zu Beginn geht es aber erst einmal darum, die Grundlagen der Physik kennen zu lernen und zu verstehen. Wir haben in diesem Artikel einen Überblick über die faszinierende Naturwissenschaft für dich zusammengestellt. Du erfährst, worum es in der Physik geht, welche Teilgebiete sie behandelt und welche Grundlagen es zu verstehen gilt. Zudem stellen wir dir einige Schlüsselkonzepte, wichtiges Vokabular und bekannte Physiker*innen der Vergangenheit und Gegenwart vor. Im letzten Kapitel haben wir interessante Fakten über die Physik zusammengesucht, die dich zum Lernen motivieren werden.
Worum geht es in der Physik?
Der Begriff „Physik“ stammt vom altgriechischen Wort physis ab, das mit „Natur“ oder „natürliche Beschaffenheit“ übersetzt werden kann. Das Fach Physik gehört wie die Mathematik, die Chemie und die Biologie zu den Naturwissenschaften. In diesen geht es nicht darum, etwas zu erfinden oder zu erschaffen, sondern bestehende Phänomene und Gesetzmäßigkeiten zu entdecken und beschreiben. Festgehalten werden die Beobachtungen und daraus gewonnen Schlüsse in Formeln, die auf alle identischen Vorgänge übertragbar sind. Was bedeutet das? Nehmen wir als Beispiel Isaac Newton und seine Formulierung des Gravitationsgesetzes. Die überlieferte Geschichte besagt, dass Newton im Garten seiner Eltern unter einem Apfelbaum lag und plötzlich einen Apfel herabfallen sah. Da stellte er sich die Frage, warum Gegenstände immer gerade herunter auf die Erde fallen und kam zu dem Schluss, dass die Erde eine Anziehungskraft haben muss. Im weiteren Verlauf versuchte er diese Beobachtung zu verallgemeinern und auf andere Objekte zu übertragen. Newton fand heraus, dass zwei beliebige Körper einander anziehen. Die Kräfte, die dabei ausgeübt werden hängen von der Masse der beiden Körper sowie ihrem Abstand zueinander ab. Aus konkreten Messungen entwickelte Newton eine Formel, die auf alle beliebigen Körper anwendbar ist. Isaac Newton hat die Gravitation nicht erfunden, es gab sie schon immer. Aber er hat die Gesetzmäßigkeit dahinter entdeckt und in eine Formel gepackt, die wir ganz einfach für unsere Berechnungen verwenden können. Möglich ist dies alles durch zwei sich ergänzende Bereiche der Physik: das Experimentieren und das theoretische Überlegen. In der Experimentalphysik werden Versuche zu einem bestimmten Thema gemacht und alle Ergebnisse und Beobachtungen akribisch festgehalten. Anschließend können diese statistisch ausgewertet, in Verbindung mit bisherigen Erkenntnissen gebracht und daraus neue Schlüsse gezogen werden. Ausgangslage für die Experimente können theoretische Überlegungen sein, die aus der Beschäftigung mit bekannten Gesetzen hervorgegangen sind. Die Physiker*innen leiten daraus mit Hilfe der Mathematik und der Logik neue Modelle ab, die dann in der praktischen Realität überprüft werden müssen. Gelingt der Beweis, kann aus dem Modell ein neues Gesetz formuliert werden. Die Physik stellt immer wieder bestehende Weltbilder in Frage und sorgt für großes Aufsehen, wenn ihr der Beweis einer These gelingt. Das gilt genauso für die mittlerweile Jahrhunderte alte Erkenntnis, dass sich die Erde um die Sonne dreht, wie für aktuellere Annahmen, wie beispielsweise die Urknall-Theorie.
Welche Bereiche gehören zur Physik?
Erste physikalische Gesetze, die wir bis heute als Grundlage verwenden, wurden bereits in der Antike formuliert. Zwei bedeutende Theoreme dieser frühen Zeit stammen von dem Mathematiker Archimedes. Er hat als Erster das Hebelgesetz beschrieben und mit dem sogenannten Archimedischen Prinzip erklärt, warum manche Körper auf dem Wasser schwimmen und andere einfach versinken. 
Mechanik
Das älteste Teilgebiet der Physik ist die Mechanik, die sich mit der Bewegung von Körper beschäftigt. Sie ist selbst in verschiedene Bereiche gegliedert. In der Kinematik geht es um die rein geometrische Betrachtung von Bewegung, die mit Größen wie Zeit, Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung beschrieben werden kann. Die Kinetik berücksichtigt zusätzlich die bei der Bewegung wirksamen Kräfte. Die Mechanik behandelt nicht nur feste Gegenstände, sondern auch Wellen. So wird auch die Akustik, bei der es um die Beobachtung von Schallwellen geht, teilweise der Mechanik zugerechnet.
Optik
Die Optik wird auch „die Lehre vom Licht“ genannt. Sie beschäftigt sich mit der Ausbreitung von Licht und dessen Wechselwirkung mit Materie, wie zum Beispiel in der Reflexion. Auch hier werden verschiedene Teilgebiete unterschieden, die sich jedoch immer wieder überschneiden und ergänzen. Die Strahlenoptik, oder auch geometrische Optik, betrachtet optische Erscheinungen als ein Lichtstrahl. Dadurch können unter anderem Phänomene wie die Reflexion, die Bildung von Schatten und die Brechung von Licht beschrieben werden. In der Wellenoptik hingegen, wird das Licht als wellenförmige Erscheinung beschrieben. Mit diesem Erklärungsmodell kann beispielsweise die Beugung von Licht an schmalen Kanten und Hindernissen erklärt werden.
Wärmelehre
Die Themen die in der Wärmelehre, auch Thermodynamik genannt, behandelt werden, sind die Zustandsänderungen von Körpern durch Zufuhr oder Abgabe von Wärme sowie Energieumwandlungen, bei denen Wärme beteiligt ist. Von großer Bedeutung ist die Thermodynamik unter anderem im Ingenieurwesen, in dem sie zur Entwicklung und Optimierung von Dampfmaschinen genutzt wurde.
Elektrizität
Die Elektrizitätslehre beschäftigt sich mit der elektrischen Ladung von Teilchen, elektrischen Strömungen und deren Wirkung, elektrischen und magnetischen Feldern und auch mit dem Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen. In diesem Gebiet lernst du nicht nur alles über Stromkreise, sondern auch über Blitze und die Übertragung von Informationen in unserem Nervensystem. 
Grundlagen der Physik
Um in der Wissenschaft zu brauchbaren und verlässlichen Ergebnissen zu kommen, ist eine exakte Vorgehensweise unumgänglich. Bei Versuchen muss dafür gesorgt werden, dass immer dieselben Bedingungen herrschen und die Resultate nicht durch äußere Einflüsse verfälscht werden. Wer sich mit Physik beschäftigt braucht bereits einige Grundkenntnisse in der Mathematik. Die meisten Gesetze werden in Formeln notiert, in denen die beteiligten Größen durch eine Abkürzung gekennzeichnet werden. An dieser Stelle kann der im Versuch ermittelte Wert eingesetzt werden. Sobald alle Platzhalter durch konkrete Werte ersetzt wurden, kann man anfangen zu rechnen und die Gleichung auflösen. Zu den Grundlagen der Physik gehören also Kenntnisse über die wichtigsten physikalischen Größen, die dazugehörigen Einheiten sowie wichtige Formeln.
- Physikalische Größen: Eine physikalische Größe beschreibt eine eindeutig bestimmbare Eigenschaft eines Vorgangs oder Zustandes. Sie setzt sich aus einem Zahlenwert und der dazugehörigen Einheit zusammen. Beispiel: Gewicht, Länge, Geschwindigkeit
- Einheiten: Eine Maßeinheit, oder Größeneinheit, entspricht einem genau definierten Wert, der dazu dient physikalische Größen unmissverständlich zu beschreiben.
- Formeln: In Formeln werden die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Größen allgemeingültig dargestellt.
Wenn du im Physikunterricht oder -Studium eine Formel nutzt, musst du darauf achten, dass die Einheiten zu den Größen passen und in der ganzen Rechnung einheitlich sind. Wenn du beispielsweise eine Zeitangabe in Stunden und eine andere in Minuten hast, musst du eine davon erst umrechnen, um sie vergleichen oder zusammenrechnen zu können. Die Zahlenwerte physikalischer Größen dürfen nur dann addiert oder subtrahiert werden, wenn sie dieselbe Einheit aufweisen. Bei Multiplikationen oder Divisionen wird die Rechenoperation auch mit den Einheiten ausgeführt, wodurch das Resultat eine neue Einheit aufweist. Zum Beispiel: Weg : Zeit = Geschwindigkeit (s : t = v) → 6 km : 2 h (Kilometer geteilt durch Stunde) = 3 km/h (Kilometer pro Stunde)
Schlüsselkonzepte der Physik
Ganz egal wie berühmt ein*e Physiker*in ist oder wie groß seine*ihre Errungenschaften sind, jedes physikalische Theorem und alle physikalischen Entdeckungen beruhen auf denselben wenigen Grundkonzepten. Im Physikunterricht in der Schule sowie in den ersten Semestern in einem Studium wirst du die ganze Badbreite der wichtigsten Grundsätze und Gesetze kennenlernen. Auf diesen wird schließlich alles Weitere aufbauen. Lass uns für einen Moment ein Blick in die Sterne werfen über unser Universum nachdenken: es ist groß und dehnt sich immer noch aus, es ist angefüllt mit Energie und Materie. Für sich allein ist das Universum schon eine überwältigende Vorstellung; ist es doch so immens groß und größtenteils unerforscht! Allerdings gelten dieselben Kräfte, die die Physik des Universums bestimmen, auch für die aller kleinsten aller Elementarteilchen. Wichtige Grundsätze der Physik sind unter anderem:
- der Energieerhaltungssatz
- das Ohm’sche Gesetz
- die Hauptsätze der Thermodynamik
- Lichtgeschwindigkeit
Für Anfänger in der Physik ist es erstmal wichtig zu verstehen, dass es sich bei physikalischen Grundsätzen und Prinzipien nicht um abstrakte Theoriegebilde handelt, sondern um die formelhafte Beschreibung von Naturgesetzen und Phänomenen, die dir im Alltag ständig begegnen. Die einzelnen Bereiche und Themen sollten nie komplett voneinander losegelöst betrachtet werden. Die Grundprinzipien der Physik gelten in der Mechanik genauso wie in der Elektrizität oder der Atomphysik. Was du einmal gelernt hast, wird dir später in der Schulzeit oder im Studium immer wieder begegnen. 
Physik-Glossar
Zeit zu gestehen: Wenn Sheldon Cooper wissenschaftlich daher plappert, wie viele von euch verdrehen da nicht die Augen? Die Big Bang Theory enthält mehr allgemeine Informationen zur Physik als jede andere Fernsehserie. Scheint es dir nicht trotzdem so, dass die wissenschaftlichen Aspekte zufällig und losgelöst erwähnt werden, und dass am laufenden Band mit Begriffen ohne Erklärung herumgeworfen wird, so als ob die Protagonisten den nächsten Superhelden-Film diskutieren würden und nicht profunde Wissenschaft? Vielleicht wäre die Reaktion von Penny auf die Wissenschaftler, die ihre Arbeit erläutern, ein lebhaftes Interesse gewesen, wenn sie gewusst hätte, worüber sie redeten. Wir haben dir in diesem Kapitel ein kleines Glossar zusammengestellt, dass dir nicht nur beim Serien schauen weiterhelfen wird. Ein kleiner Tipp am Rande: Damit du als Physik-Anfänger im Unterricht, im Gespräch mit anderen Physik-Begeisterten oder im Studium nicht von der Flut an unbekannten Begriffen überfordert bist, lohnt es sich, ein Nachschlagewerk zur Hand zu haben. Du kannst dir ein Buch mit den wichtigsten Physikbegriffen kaufen oder online nach einer Liste suchen, die kostenlos zum Download bereitgestellt wird. In der modernen Physik spricht man oft von Quanten. Ein Quant für sich allein bezeichnet die kleinstmögliche Einheit. Häufig tritt der Begriff in zusammengesetzten Worten auf, die ein konkretes Studienfeld bezeichnen:
- Quantenmechanik, einschließlich der Quantenfeldtheorie, beschäftigt sich mit den kleinsten Energieskalen. Sie ist auch bekannt als Quantenphysik, Quantentheorie und Matrizenmechanik.
- Quantenverschränkung begründet die Lehrmeinung des Studiums von einem Teilchen, das alle anderen Teilchen beeinflusst, die mit ihm verbunden sind
- Quantenoptik ist das Studium des Verhaltens von Licht, genau genommen von Photonen.
- Quanten-Tunneleffekt beschreibt das Phänomen, dass Materie eine Entfernung überwinden kann, ohne einen dazwischenliegenden Raum zu passieren.
- Quantenelektrodynamik ist die erfolgreiche Verbindung von spezieller Relativitätstheorie und Quantenmechanik.
In der Teilchenphysik werden Körper, sogenannte Teilchen, betrachtet, die gegenüber dem Maßstab des betrachteten Systems sehr klein sind. Darunter fallen unter anderem:
- Bosonen: benannt nach dem theoretischen Physiker Satyendranath Bose; Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin (Eigendrehimpuls von Teilchen)
- Fermionen benannt nach dem theoretischen und experimentellen Physiker Enrico Fermi; Elementarteilchen mit halbzahligem Spin
- Hadronen: zusammengesetzte, subatomare Teilchen, die von einer starken Wechselwirkung zusammengehalten werden (dazu gehören unter anderem Neutronen und Protonen)
- Quarks: Fermionen, die sich zu Hadronen verbinden können; die einzigen bekannten Teilchen, die allen vier fundamentalen Wechselwirkungen (starke Wechselwirkung, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung, Gravitation) unterliegen
Viele Bezeichnungen und Begriffe, die uns in der Physik begegnen, entstammen entweder der altgriechischen und lateinischen Sprache oder beziehen sich auf bekannte Physiker*innen, mit denen sie in Verbindung gebracht werden. Lernen wir also im nächsten Kapitel einige wichtige Persönlichkeiten der Welt der Physik kennen. 
Berühmte Physiker
Die Grundlagen der heutigen Physik und Mathematik stammen aus der Antike. Unzählige Intellektuelle wie Archimedes, Pythagoras oder Aristoteles haben sich mit naturwissenschaftlichen Phänomenen auseinandergesetzt und Grundätze und Prinzipien schriftlich festgehalten. In der Renaissance gewannen Universitäten zunehmend an Bedeutung. Zu dieser Zeit entwickelte sich auch die Physik zu einer wichtigen wissenschaftlichen Disziplin. Seither haben unzählige Gelehrte die Naturgesetze erforscht und unser Weltbild stetig verändert. Einer der wohl bekanntesten Namen aus der Zeit um 1600 ist Galileo Galilei. Durch seine Beschäftigung mit physikalischen Eigenschaften von Objekten auf der Erde aber auch seinen Blick in die Sterne und die Überlegungen zum Kosmos, gelang er zu Erkenntnissen in der Mechanik und der Astronomie, die bis heute als bahnbrechend gelten. Er war jedoch nicht der einzige wichtige Physiker seiner Zeit. Der weit weniger bekannte William Gilbert hätte den Titel des ersten modernen Wissenschaftlers genauso sehr verdient. Gilbert arbeitete vor allem auf den Gebieten der Elektrizität und des Magnetismus. Sein größter Verdienst liegt aber wohl in der Entwicklung und Durchsetzung der wissenschaftlichen Methodik. Bis dahin hatten sich Physiker entweder mit Theorien ohne experimentelle Bestätigung oder mit Versuchen ohne Formulierung irgendeiner Theorie, die es ermöglicht hätte, die Versuche zu wiederholen, beschäftigt. Gilbert setzte sich für eine exakte, wiederholbare Versuchsanordnung und eine nachvollziehbare, widerspruchsfreie Argumentation ein. Sein Bekenntnis, Vermutungen und philosophische Spekulationen zu vermeiden, wurde als Ethos von anderen Wissenschaftlern übernommen, was die Wissenschaften im Allgemeinen um große Schritte voranbrachte. In den folgenden drei Jahrhunderten machte die klassische Physik in all ihren Bereichen große Sprünge, was unter anderem bekannten Naturwissenschaftler wie Isaac Newton oder Max Planck zu verdanken ist. Entdecke hier weitere große Physiker der Geschichte und Gegenwart. 
Physik-Fakten, die dich erstaunen werden
Denkst du immer noch, dass Physik ein schwieriges Fach ist? Hat nichts von dem, was wir bisher gesagt haben, dir deine Furcht genommen vor dem Lernen über die physikalische Wissenschaft? Vielleicht helfen ein paar weitere spannende Physik-Fakten, dir die Angst zu nehmen. 
Die Plattform, die Lehrkräfte und SchülerInnen miteinander verbindet
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