Einführung in die Hauptsätze der Physik

Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Natur im Allgemeinen komplexer ist, als wir glauben. Die Gesetze der Physik gelten als grundlegend, obwohl sich viele von ihnen auf idealisierte oder theoretische Systeme beziehen, die in der realen Welt schwer zu replizieren sind.

Wie in anderen Bereichen der Wissenschaft bauen neue Gesetze der Physik auf bestehenden Gesetzen und theoretischen Forschungen auf oder modifizieren diese. Albert Einsteins Relativitätstheorie, die er zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte, baut auf den Theorien auf, die Sir Isaac Newton mehr als 200 Jahre zuvor aufgestellt hatte.

Gesetz der universellen Gravitation

Sir Isaac Newtons bahnbrechendes Werk in der Physik wurde erstmals 1687 in seinem Buch "The Mathematical Principles of Natural Philosophy" veröffentlicht, das gemeinhin als "The Principia" bekannt ist. Darin skizzierte er Theorien über Schwerkraft und Bewegung. Sein physikalisches Gravitationsgesetz besagt, dass ein Objekt ein anderes Objekt in direktem Verhältnis zu seiner Gesamtmasse anzieht und umgekehrt zum Quadrat der Entfernung zwischen ihnen in Beziehung steht.

Drei Bewegungsgesetze

Newtons drei Bewegungsgesetze, die auch in "The Principia" zu finden sind, bestimmen, wie sich die Bewegung physikalischer Objekte ändert. Sie definieren das grundlegende Verhältnis zwischen der Beschleunigung eines Objekts und den darauf einwirkenden Kräften.

• Erste Regel: Ein Objekt bleibt in Ruhe oder in einem gleichmäßigen Bewegungszustand, es sei denn, dieser Zustand wird durch eine äußere Kraft verändert. 
• Zweite Regel: Kraft ist gleich der zeitlichen Änderung des Impulses (Masse mal Geschwindigkeit). Mit anderen Worten, die Änderungsrate ist direkt proportional zur aufgebrachten Kraft. 
• Dritte Regel: Für jede Handlung in der Natur gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. 

Zusammen bilden diese drei Prinzipien, die Newton umrissen hat, die Grundlage der klassischen Mechanik, die beschreibt, wie sich Körper unter dem Einfluss äußerer Kräfte physisch verhalten.

Erhaltung von Masse und Energie

Albert Einstein stellte seine berühmte Gleichung vor E = mc2 in einer 1905 eingereichten Zeitschrift mit dem Titel "Über die Elektrodynamik von sich bewegenden Körpern". Der Aufsatz stellte seine Relativitätstheorie vor, die auf zwei Postulaten beruhte:

• Relativitätsprinzip: Die Gesetze der Physik sind für alle Trägheitsreferenzrahmen gleich. 
• Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: Licht breitet sich durch ein Vakuum immer mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus, die unabhängig vom Bewegungszustand des emittierenden Körpers ist.

Das erste Prinzip besagt einfach, dass die Gesetze der Physik in allen Situationen für alle gleich gelten. Das zweite Prinzip ist das wichtigere. Es besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist. Im Gegensatz zu allen anderen Bewegungsformen wird es für Beobachter in unterschiedlichen Trägheitsrahmen nicht unterschiedlich gemessen.

Gesetze der Thermodynamik

Die Gesetze der Thermodynamik sind tatsächlich spezifische Manifestationen des Gesetzes zur Erhaltung der Masse-Energie, wie es sich auf thermodynamische Prozesse bezieht. Das Gebiet wurde erstmals in den 1650er Jahren von Otto von Guericke in Deutschland und Robert Boyle und Robert Hooke in Großbritannien erkundet. Alle drei Wissenschaftler verwendeten Vakuumpumpen, die von Guericke als Pionier entwickelt hatte, um die Prinzipien von Druck, Temperatur und Volumen zu untersuchen.

• Das Nullgesetz der Thermodynamik macht den Begriff der Temperatur möglich.
• Der erste Hauptsatz der Thermodynamik demonstriert die Beziehung zwischen interner Energie, zusätzlicher Wärme und der Arbeit innerhalb eines Systems.
• Das zweite Gesetz der Thermodynamik bezieht sich auf den natürlichen Wärmefluss in einem geschlossenen System.
• Das dritte Gesetz der Thermodynamik gibt an, dass es unmöglich ist, einen thermodynamischen Prozess zu erzeugen, der vollkommen effizient ist.

Elektrostatische Gesetze

Zwei physikalische Gesetze bestimmen die Beziehung zwischen elektrisch geladenen Teilchen und ihrer Fähigkeit, elektrostatische Kraft und elektrostatische Felder zu erzeugen. 

• Coulomb-Gesetz ist nach Charles-Augustin Coulomb benannt, einem französischen Forscher aus dem 18. Jahrhundert. Die Kraft zwischen zwei Punktladungen ist direkt proportional zur Größe jeder Ladung und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihren Mittelpunkten. Wenn die Objekte die gleiche Ladung haben, positiv oder negativ, stoßen sie sich gegenseitig ab. Wenn sie gegensätzliche Ladungen haben, ziehen sie sich gegenseitig an.
• Gaußsches Gesetz ist nach dem deutschen Mathematiker Carl Friedrich Gauß benannt, der zu Beginn des 19. Jahrhunderts arbeitete. Dieses Gesetz besagt, dass der Nettofluss eines elektrischen Feldes durch eine geschlossene Oberfläche proportional zur eingeschlossenen elektrischen Ladung ist. Gauß schlug ähnliche Gesetze in Bezug auf Magnetismus und Elektromagnetismus als Ganzes vor.

Jenseits der Grundphysik

Auf dem Gebiet der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik haben Wissenschaftler festgestellt, dass diese Gesetze immer noch gelten, obwohl ihre Interpretation eine gewisse Verfeinerung erfordert, was zu Feldern wie der Quantenelektronik und der Quantengravitation führt.