Physik: Grundlagen, Teilgebiete und Anwendungen
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Physik (von lat. physica, und griechisch: φυσική) ist die Naturwissenschaft, die die Eigenschaften des Raumes, der Zeit, der Materie und der Energie sowie deren Wechselwirkungen untersucht.
Physik ist nicht nur eine theoretische Wissenschaft; sie ist auch eng mit dem Experiment verbunden. Wie alle Wissenschaften strebt sie danach, Schlussfolgerungen durch Experiment und Theorie überprüfbar zu machen und Vorhersagen für zukünftige Experimente zu liefern. Angesichts des breiten Spektrums des Physikstudiums und ihrer historischen Entwicklung gegenüber anderen Wissenschaften gilt sie als eine grundlegende Wissenschaft, da sie auch viele Anwendungsbereiche der Studiengänge in Chemie, Biologie und Elektronik erklärt.
Das heutige Wissen der Physik reicht von der Beschreibung der mikroskopischen fundamentalen Teilchen bis hin zur Entstehung von Sternen im Universum und bietet sogar Ansätze, die ersten Momente der Entstehung unseres Universums zu verstehen.
Die physikalische Beschreibung der Natur ist in mehrere Hauptbereiche gegliedert, die sich in fünf grundlegende Theorien gruppieren lassen: die klassische Mechanik, die Elektrodynamik, die Relativität, die Thermodynamik und die Quantenmechanik. Diese beschreiben jeweils makroskopische Bewegungen, elektromagnetische Phänomene (einschließlich Licht), die Raum-Zeit gemäß Einsteins Relativität, molekulare Vorgänge und Wärmeaustausch sowie das Verhalten der atomaren und subatomaren Welt.
Klassische Mechanik
In der klassischen Mechanik wird die Bewegung makroskopischer Körper beschrieben, deren Geschwindigkeiten im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit sehr klein sind. Es gibt zwei zentrale Formulierungen: die newtonsche Mechanik und die analytische Mechanik.
Die newtonsche Mechanik, benannt nach Isaac Newton, beruht auf dessen drei Grundgleichungen. Mittels Differential- und Integralrechnung lassen sich sehr genaue Beschreibungen physikalischer Phänomene ableiten. Diese Formulierung verwendet Vektoren und bezieht sich meist auf ein Inertialsystem.
Die analytische Mechanik ist eine abstraktere mathematische Formulierung, die es erlaubt, ohne privilegierte Bezugssysteme zu arbeiten. Sie nutzt die Variationsrechnung. Zwei äquivalente Formulierungen sind die Lagrange-Mechanik (Euler‑Lagrange-Gleichungen, Prinzip der kleinsten Wirkung) und die Hamilton-Mechanik (Hamiltonfunktion). Beide Formulierungen sind letztlich äquivalent.
In der klassischen Mechanik gelten im Allgemeinen drei Annahmen: die Zeit ist absolut, das Prinzip der kleinsten Wirkung ist bedeutsam und das Universum ist determiniert.
Elektromagnetismus
Die Elektrodynamik beschreibt die Wechselwirkung geladener Teilchen mit elektrischen Feldern und magnetischen Feldern. Man unterscheidet Elektrostatik (Ladungen in Ruhe) und Elektrodynamik (bewegte Ladungen und Strahlung). Die klassische Theorie des Elektromagnetismus basiert auf der Lorentz-Kraft und den Maxwell-Gleichungen.
Die Elektrostatik untersucht Phänomene geladener Körper in Ruhe. Nach dem Coulombschen Gesetz üben solche Ladungen Kräfte aufeinander aus. Ihr Verhalten lässt sich mithilfe des elektrischen Feldes beschreiben: Eine Ladung im Feld erfährt eine Kraft proportional zur Ladung und zur Feldstärke am Ort. Die Kraft kann anziehend oder abstoßend sein, abhängig von der Polarität der Ladungen. Elektrostatik hat viele Anwendungen, z. B. beim Verständnis von Gewittern oder dem Verhalten von Elektronenröhren.
Die Elektrodynamik beschäftigt sich mit bewegten Ladungen und daraus resultierenden magnetischen Effekten, elektromagnetischer Strahlung und Induktion. Praktische Anwendungen sind Generatoren und Elektromotoren. Die klassische Elektrodynamik wurde systematisch von James Clerk Maxwell formuliert. Die moderne Quanten-Elektrodynamik beschreibt die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung und Materie nach den Gesetzen der Quantentheorie. Pioniere wie Paul Dirac, Heisenberg und Wolfgang Pauli trugen wesentlich zu ihrer Entwicklung bei.
Elektromagnetische Phänomene umfassen das sichtbare Licht, denn Licht ist eine Form elektromagnetischer Wellen. Abgesehen von der Gravitation sind viele alltägliche Kräfte auf Elektromagnetismus zurückzuführen.
Die Prinzipien des Elektromagnetismus werden in zahlreichen Disziplinen angewandt, z. B. in Mikrowellentechnik, Antennten, elektrischen Maschinen, Kommunikationssatelliten, Bioelektromagnetik, Plasmaphysik, Faseroptik, Radar und Fernmessung. Elektromagnetische Geräte sind z. B. Transformatoren, Relais, Radio/TV, Telefone, Motoren, Leitungen, Wellenleiter, Faseroptik und Laser.
Relativität
Die Relativitätstheorie wurde vor allem von Albert Einstein formuliert und gliedert sich in die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie.
In der speziellen Relativitätstheorie vereinten Einstein, Lorentz, Minkowski und andere die Konzepte von Raum und Zeit zu einem vierdimensionalen Raum-Zeit-Gefüge. Sie führte u. a. zur Abschaffung der absoluten Zeit und zur Invarianz der Lichtgeschwindigkeit, zu Zeitdilatation, Längenkontraktion und Masse-Energie-Äquivalenz. Die Gesetze der Physik sind in allen Inertialsystemen invariant; die spezielle Relativität begrenzt die maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit auf die Lichtgeschwindigkeit und verändert die klassische Vorstellung von Kausalität.
Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation als Krümmung der Raumzeit. Das Äquivalenzprinzip besagt, dass lokale Beobachter die Gesetze der speziellen Relativität als gültig wahrnehmen. Die Bewegung freier Teilchen wird durch Geodäten beschrieben. Die allgemeine Relativität machte präzise Vorhersagen, etwa die Ablenkung von Licht durch Gravitation oder die Periheldrehung des Merkur, und begründete Felder wie die Kosmologie und die moderne Astrophysik.
Thermodynamik und statistische Mechanik
Thermodynamische Prozesse beschreiben den Wärme- und Energieaustausch sowie die Möglichkeit, mit dieser Energie Arbeit zu verrichten. Dieser Bereich untersucht, wie Materie zwischen Zuständen (fest, flüssig, gasförmig) übergeht und wie sich Volumen, Druck, Temperatur und andere Zustandsgrößen ändern. Die Thermodynamik basiert auf vier Grundgesetzen: dem Zeroth-Gesetz (thermodynamisches Gleichgewicht), dem ersten Gesetz (Energieerhaltung), dem zweiten Gesetz (Zunahme der Entropie) und dem dritten Gesetz (Unmöglichkeit, den absoluten Nullpunkt zu erreichen).
Die statistische Mechanik ist die mikroskopische Grundlage der Thermodynamik. Sie erklärt makroskopische Phänomene als statistische Folgen des Verhaltens vieler Teilchen und verwendet Wahrscheinlichkeits- und Statistikmethoden, um makroskopische Größen aus mikroskopischen Eigenschaften abzuleiten.
Quantenmechanik
Die Quantenmechanik behandelt atomare und subatomare Systeme und ihre Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung in Bezug auf beobachtbare Größen. Sie beruht auf der Beobachtung, dass Energie und andere Größen in diskreten Einheiten (Quanten) übertragen werden. Die Quantentheorie erlaubt in der Regel nur Aussagen über Wahrscheinlichkeitsverteilungen beobachtbarer Größen, die durch Wellenfunktionen beschrieben werden. Die Schrödinger-Gleichung nimmt in der Quantenmechanik die Rolle der Bewegungsgleichungen der klassischen Mechanik ein und ist eine Wellengleichung für die Wellenfunktion, aus der sich Wahrscheinlichkeiten für Messergebnisse ableiten lassen.
Historisch wurde die Quantenmechanik in den 1920er Jahren entwickelt. Louis de Broglie schlug 1924 vor, dass Teilchen Welleneigenschaften besitzen. 1926 entwickelte Erwin Schrödinger die Wellenmechanik; 1925 formulierte Werner Heisenberg die Matrizenmechanik. Beide Formulierungen sind mathematisch äquivalent. 1927 führte Heisenberg das Unschärfeprinzip ein, das fundamentale Grenzen der Messgenauigkeit beschreibt.
Die Quantenmechanik wurde mit der Relativitätstheorie in Diracs Formulierung 1928 verbunden, die unter anderem die Existenz von Antiteilchen vorhersagte. Weiterentwicklungen umfassen Quantenstatistik (Bose‑Einstein- und Fermi‑Dirac‑Statistik), die Quanten-Elektrodynamik und die Quantentheorie der Felder.
Die Quantenmechanik revolutionierte die Physik und ist grundlegend für viele Bereiche moderner Forschung.
Forschungsbereiche
Theoretische Physik
Die physikalische Forschung hat sich zunehmend spezialisiert: Es gibt Theoretiker, die mathematische Modelle entwickeln, um experimentelle Ergebnisse zu erklären und Vorhersagen zu machen, und Experimentatoren, die diese Vorhersagen prüfen. Theorie und Experiment sind eng miteinander verknüpft; oft führt ein überraschendes Experiment zu neuen theoretischen Ansätzen.
Theoretische Physik ist eng mit der Mathematik verbunden. Theoretiker nutzen Differential- und Integralrechnung, numerische Analyse und Computersimulationen, um Modelle zu entwickeln und zu testen. Bereiche wie die Computational Physics sind aktive Forschungsfelder.
Theoretiker arbeiten an Konzepten wie parallelen Universen oder winzigen schwingenden Dimensionen (Saiten), die neue physikalische Annahmen erlauben können.
Festkörperphysik
Die Physik kondensierter Materie befasst sich mit den makroskopischen physikalischen Eigenschaften von Materialien, z. B. Dichte, Temperatur, Härte oder Farbe. Materialien bestehen aus vielen Atomen oder Molekülen, die miteinander interagieren. Die Festkörperphysik soll die Beziehungen zwischen messbaren makroskopischen Eigenschaften und dem Verhalten auf atomarer Ebene verstehen.
Häufige Phasen sind Festkörper und Flüssigkeiten, die durch chemische Bindungen und elektromagnetische Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Exotischere Phasen sind Supraleitung, Bose‑Einstein‑Kondensate, Suprafluidität sowie ferromagnetische und antiferromagnetische Ordnungen auf atomaren Gittern.
Die Festkörperphysik ist eines der größten Forschungsfelder der modernen Physik und überschneidet sich stark mit Chemie, Materialwissenschaft, Nanotechnologie und Ingenieurwesen. Der Begriff „Physik kondensierter Materie“ wurde von Philip Anderson geprägt.
Atom- und Molekülphysik
Atom- und Molekülphysik untersuchen Wechselwirkungen und Licht‑Materie‑Wechselwirkungen auf der Ebene einzelner Atome oder kleiner Atomverbände. Beide Gebiete werden oft gemeinsam betrachtet, da die Methoden und die Energie‑Skalen ähnlich sind. Beide verwenden klassische und quantenmechanische Methoden, je nach Fragestellung.
Aktuelle Forschungsthemen in der Atomphysik sind das Kühlen und Einfangen von Atomen und Ionen, hochpräzise Messungen (z. B. für Atomuhren), die Bestimmung fundamentaler Konstanten, Tests der Relativitätstheorie und des Standardmodells sowie die Untersuchung kollektiver Effekte in schwach wechselwirkenden Gasen, etwa in Bose‑Einstein‑Kondensaten.
Molekulare Physik konzentriert sich auf die Struktur von Molekülen und deren Wechselwirkungen mit Licht und Materie.
Teilchen- und Hochenergiephysik
Die Teilchenphysik untersucht die elementaren Bausteine der Materie und ihre Wechselwirkungen. Sie wird auch Hochenergiephysik genannt, da viele Elementarteilchen unter normalen Bedingungen nicht stabil sind und in energiereichen Kollisionen in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden müssen. Wichtige Forschungseinrichtungen sind das Fermilab in den USA und CERN an der Grenze Schweiz–Frankreich.
Nach dem Standardmodell werden Elementarteilchen in Bosonen und Fermionen eingeteilt. Bosonen vermitteln Wechselwirkungen (z. B. Photon für den Elektromagnetismus), Fermionen sind Materieteilchen (Leptonen und Quarks). Das Standardmodell beschreibt derzeit 24 fundamentale Teilchen (inklusive Antiteilchen) in drei Familien sowie Eichbosonen, die die Wechselwirkungen vermitteln.
Astrophysik
Astrophysik und Astronomie wenden Theorien und Methoden der Physik auf die Untersuchung von Objekten im Universum an, wie Sterne, Planeten, Galaxien und Schwarze Löcher. Astronomie konzentriert sich oft stärker auf Beobachtung und Bewegung, Astrophysik erklärt Herkunft, Entwicklung und physikalisches Verhalten dieser Objekte.
Mit Instrumenten wie dem Hubble‑Weltraumteleskop erhielten Physiker detaillierte Informationen aus den entferntesten Regionen des Weltalls, wodurch vorher rein theoretische Vorstellungen überprüfbar wurden.
Astrophysiker arbeiten in vielen Bereichen der Physik: Mechanik, Elektromagnetismus, statistische Mechanik, Thermodynamik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Kern‑ und Teilchenphysik sowie Atom‑ und Molekülphysik. Die Kosmologie ist eng mit der Astrophysik verbunden und befasst sich mit dem Ursprung des Universums.
Biophysik
Biophysik ist ein interdisziplinäres Feld, das physikalische Prinzipien auf biologische Systeme anwendet. Physikalische Methoden wie die Quantenmechanik können helfen, biologische Eigenschaften zu erklären. Der Austausch von Wissen bereichert insbesondere die Biologie durch physikalische Methoden und Einsichten.
Dieses Feld wächst stetig; im 21. Jahrhundert arbeiten vermehrt Physiker, Biologen und Chemiker in denselben Laboren. Forschungen in der Neurowissenschaft profitieren beispielsweise von Anwendungen aus Elektromagnetismus, Optik und Molekülphysik beim Studium von Neuronen.
Elektrizität (griechisch: elektron, Bernstein) ist ein Phänomen, dessen Ursprung elektrische Ladungen sind. Elektrische Energie äußert sich in mechanischen, thermischen, optischen und chemischen Erscheinungen. In der Natur tritt Elektrizität z. B. in der Atmosphäre als Blitz auf; auch biologische Prozesse wie die Funktion des Nervensystems beruhen auf elektrischen Vorgängen. Elektrizität ist Grundlage für zahlreiche technische Systeme, von kleinen Geräten bis zu großen Energiesystemen.
Als wissenschaftlicher Zweig behandelt die Elektrizität die Gesetze dieses Phänomens; als technisches Fachgebiet umfasst sie Anwendungen. Seit 1831 zeigte Faraday, dass durch Induktion mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Diese Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie ist zentral für moderne Technologien.
Elektrizität entsteht durch elektrische Ladungen in Ruhe oder Bewegung und deren Wechselwirkungen. Ruhende Ladungen üben elektrostatische Kräfte aus; bewegte Ladungen erzeugen zusätzlich magnetische Kräfte. Es gibt zwei Ladungsarten: positiv und negativ. Atome bestehen aus positiv geladenen Protonen, negativ geladenen Elektronen und neutralen Neutronen. Es gibt auch kurzlebige geladene Elementarteilchen außerhalb stabiler Materie, z. B. in kosmischer Strahlung oder radioaktivem Zerfall.
Elektrizität und Magnetismus sind Aspekte desselben Phänomens, des Elektromagnetismus, und werden durch die Maxwell‑Gleichungen mathematisch beschrieben. Die Bewegung einer elektrischen Ladung erzeugt ein magnetisches Feld, die Änderung eines Magnetfelds erzeugt ein elektrisches Feld, und beschleunigte Ladungen erzeugen elektromagnetische Wellen. [7]
Angesichts der Bedeutung elektrischer Energie als Energieträger, Grundlage der Telekommunikation und Informationsverarbeitung ist eine wichtige Herausforderung die effiziente und umweltverträgliche Erzeugung und Verteilung von Strom.
Elektrische Ladung ist eine Eigenschaft subatomarer Teilchen, die sich in Wechselwirkungen zwischen ihnen manifestiert. Geladene Materie wird von elektromagnetischen Feldern beeinflusst und erzeugt diese Felder selbst. Die Wechselwirkung zwischen Ladung und elektrischem Feld ist die elektromagnetische Wechselwirkung; das Austauschteilchen ist das Photon. Kräfte werden nicht instantan übertragen, sondern mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit (näherungsweise die Lichtgeschwindigkeit c).
Auf der Erde sind die häufigsten geladenen Elementarteilchen Elektronen und Protonen, aber es können auch geladene Teilchen aus dem Weltraum wie Myonen oder Pionen auftreten. Hadronen (z. B. Protonen, Neutronen) bestehen aus geladenen Quarks, die jedoch nicht als freie Teilchen beobachtet werden.
Ein Atom, das ein Elektron aufnimmt oder abgibt, wird elektrisch geladen und heißt Ion.
Historisch entdeckten Joseph John Thomson (Elektron, 1897) und Robert Millikan (Bestimmung der Elementarladung) die Diskretheit der elektrischen Ladung. [11]
Im SI-System ist die Einheit der elektrischen Ladung das Coulomb (C). Ein Coulomb ist die Ladung, die in einer Sekunde bei einem Strom von einem Ampere transportiert wird. Ein Elektron trägt die Ladung e = 1,602 × 10−19 C.
Kraft zwischen Ladungen
Das Coulombsche Gesetz, erstmals 1785 gemessen, bestimmt die Kraft zwischen elektrischen Punktladungen. Mit einer Torsionswaage zeigte Coulomb, dass die Größe der Kraft proportional zum Produkt der beiden Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist.
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Wobei q1 und q2 die Ladungen sind, r der Abstand zwischen ihnen und die Proportionalitätskonstante k vom Einheitensystem abhängt.
Ein grundlegendes Prinzip dieser Kräfte ist das Superpositionsprinzip: Bei mehreren Ladungen qj ist die resultierende Kraft auf eine Ladung die vektorielle Summe der von allen anderen ausgeübten Kräfte. Die Kraft auf eine Punktladung qi in SI lautet:
wo 
den Verbindungsvektor von Ladung qj zu Ladung qi bezeichnet.
Wenn die Ladungen in Bewegung sind, treten zusätzlich magnetische Kräfte auf. Das Phänomen lässt sich allgemein mit elektrischen Feldern (
) und magnetischen Feldern (
) beschreiben; daraus folgt die Lorentz-Kraft:
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Im Allgemeinen können für beliebig verteilte Ladungen keine einfachen expliziten Ausdrücke für die Kräfte angegeben werden; stattdessen löst man die Maxwell‑Gleichungen, um Felder zu berechnen und Kräfte aus Ausdrücken elektromagnetischer Energie zu gewinnen. [14]
Elektrische und magnetische Felder
Die elektrischen Felder (
) und magnetischen Felder (
) sind Vektorfelder, die in jedem Punkt des Raums Modul, Richtung und Orientierung besitzen. Eine grundlegende Eigenschaft ist das Superpositionsprinzip: Das Gesamtfeld ist die vektorielle Summe der Felder, die von einzelnen Ladungen erzeugt werden.
Man veranschaulicht Felder oft durch Feldlinien (Kraftlinien), die tangential zur Richtung des Feldvektors verlaufen. Im elektrischen Feld entspricht die Feldlinie dem Weg, den eine masselose Probeladung langsam zurücklegen würde.
Makroskopisch ist Materie meist elektrisch neutral, doch lokal gibt es positive und negative Ladungen sowie Ströme in Atomen und Molekülen, die elektrische und magnetische Felder erzeugen. Dipolfelder (entgegengesetzt geladene, nahe beieinanderliegende Ladungen) sind grundlegend für viele chemische Bindungen, Lösemittelfunktionen (z. B. Wasser) und die Funktion von Antennen.
Elektrische und magnetische Felder werden durch Lösungen der Maxwell‑Gleichungen berechnet und sind in der Regel nicht voneinander trennbar.
Elektrischer Strom ist der Fluss elektrischer Ladung durch ein Material aufgrund einer Potentialdifferenz. Historisch wurde die Richtung des Stromflusses als Bewegung positiver Ladungen vom Plus zum Minus definiert (konventionelle Stromrichtung). Später zeigte der Hall‑Effekt, dass in Metallen die tatsächlichen Ladungsträger Elektronen (negativ geladen) sind, die entgegengesetzt zur konventionellen Stromrichtung wandern.
Zur Beschreibung des elektrischen Stroms werden Intensität und Stromdichte verwendet. Die Stromstärke I in einem Leiterabschnitt ist die pro Zeit durchflossene Ladungsmenge Q:
- Die Stromstärke I ist definiert als I = dQ/dt. Bei konstantem Strom gilt I = Q/t.
. Wenn der Strom konstant ist, gilt 
- Die Stromdichte j ist die Stromstärke pro Querschnittsfläche S.
Wärme ist eine Form von Energie, die z. B. durch chemische Reaktionen, Kernreaktionen (z. B. Fusion in der Sonne), elektromagnetische Wechselwirkung (z. B. Mikrowellen) oder mechanische Dissipation (Reibung) erzeugt werden kann. Wärme wird im Zeroth‑Satz der Thermodynamik mit Temperaturgleichgewicht verbunden.
Wärme kann zwischen Objekten durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion übertragen werden; in realen Prozessen treten oft mehrere Mechanismen gleichzeitig auf.
Wärme ist kein Zustand der Materie selbst, sondern die Übertragung von innerer (thermischer) Energie zwischen Systemen bei unterschiedlicher Temperatur.
Der folgende Abschnitt stammt von "http://es.wikipedia.org/wiki/Calor" und enthält historische bzw. weiterführende Hinweise.
Newtons Gesetze sind drei Grundsätze, die viele Probleme der Dynamik und der Bewegung von Körpern beschreiben.
Die Bedeutung dieser Gesetze liegt insbesondere darin, dass sie zusammen mit der Galilei‑Transformation die Grundlage der klassischen Mechanik bilden und in Verbindung mit dem Gesetz der universellen Gravitation die Keplerschen Gesetze der Planetenbewegung erklären.
Das zweite Gesetz erklärt, was passiert, wenn auf einen Körper eine Kraft wirkt: Die Kraft ändert den Bewegungszustand (Geschwindigkeit oder Richtung). Formal lautet das Gesetz (allgemein):
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Unter der Annahme konstanter Masse und niedriger Geschwindigkeiten vereinfacht sich dies zu:
Die Einheit der Kraft ist das Newton (N): 1 N ist die Kraft, die eine Masse von 1 kg mit 1 m/s² beschleunigt.
Das erste Newtonsche Gesetz
Das erste Gesetz (Trägheitsprinzip) besagt, dass ein Körper seinen Bewegungszustand beibehält, solange keine resultierende Kraft ihn ändert. Dies führt zum Begriff des Inertialsystems und zur Definition von Kraft als Ursache von Beschleunigungen.
Das zweite Newtonsche Gesetz
Mathematisch wird das zweite Gesetz durch die Beziehung zwischen Kraft und Impuls ausgedrückt (siehe oben). Bei konstanter Masse reduziert sich dies auf 
.
Aus diesem Gesetz folgt z. B. die Definition der Einheit Newton und die Beschreibung verschiedener Bewegungsarten (gleichförmig, gleichmäßig beschleunigt usw.).
Newtons drittes Gesetz
Das dritte Gesetz besagt, dass Kräfte immer paarweise auftreten: Wenn Körper A eine Kraft auf Körper B ausübt, so übt B eine gleich große und entgegengesetzte Kraft auf A aus. Die beiden Kräfte greifen an unterschiedlichen Körpern an und können daher zu unterschiedlichen Beschleunigungen führen, abhängig von den jeweiligen Massen.
In der klassischen Mechanik gilt dieses Prinzip allgemein; in der Elektrodynamik muss man jedoch die Felder und ihren Impuls mitberücksichtigen, weil die Wechselwirkung nicht unbedingt instantan erfolgt, sondern Feldenergie und -impuls transportiert werden.
Verallgemeinerungen
Nach Newtons drei berühmten Gesetzen leisteten viele Physiker und Mathematiker Beiträge zur Verallgemeinerung, z. B. für nicht‑inertiale Systeme. Das d'Alembertsche Prinzip (1743) erlaubt die Formulierung der Bewegungsgleichungen ohne explizite Berechnung von Zwangskräften. Lagrange fand Wege, Bewegungsgleichungen für allgemeine Systeme zu formulieren, ohne fiktive Kräfte einführen zu müssen.
Die Einführung der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik zeigte, dass die Newtonschen Gesetze Näherungen sind, die für makroskopische und nichtrelativistische Skalen gelten. Es existieren auch alternative Ansätze und Modifikationen wie MOND.
Relativistische Verallgemeinerungen
Die Newtonschen Gesetze gelten näherungsweise für kleine Geschwindigkeiten. In der relativistischen Mechanik müssen Formulierungen angepasst werden: Impulsdefinition und Kraftausdrücke ändern sich, sodass die Gesetze in relativistisch konsistenter Form vorliegen.
- Erstes Gesetz: In Abwesenheit von Kräften folgt ein Teilchen einer Geodäte in der Raumzeit (geodätische Bewegung).
- Zweites Gesetz: Die Kraft entspricht der Änderungsrate des relativistischen Impulses. Die Definition des Impulses unterscheidet sich von der newtonschen Definition; die Relativitätstheorie verwendet die invariante Masse.
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Für Bewegung in Richtung der Kraft ergibt sich eine analoge Formulierung; sind Geschwindigkeit und Kraft nicht parallel, so ist der Ausdruck komplexer (siehe weiter unten).
- Newtonsche Reaktionsgesetze: Die ursprüngliche starke Formulierung des dritten Gesetzes (gleich und kollinear) gilt nicht immer in Gegenwart magnetischer Felder. Eine abgeschwächte Formulierung (gleich groß und entgegengesetzt, nicht notwendigerweise kollinear) ist in vielen nichtrelativistischen Fällen gültig.
Schwache Form des Aktion‑Reaktion‑Gesetzes
In Systemen mit magnetischen Effekten oder elektromagnetischer Wechselwirkung wird die strikte kollineare Formulierung des dritten Gesetzes nicht immer erfüllt. In einer abgeschwächten Formulierung genügt, dass Aktion und Reaktion denselben Betrag und entgegengesetzte Richtung haben (auch wenn sie nicht exakt entlang derselben Linie liegen).
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