thumb|upright=1.1|Verschillende natuurkundige verschijnselen
Natuurkunde of fysica is de wetenschap die zich bezighoudt met de algemene eigenschappen van materie, straling en energie, evenals het gedrag ervan in de ruimte en de tijd. Fysici onderzoeken fenomenen zoals kracht, beweging en evenwicht, warmte, licht, geluid, magnetisme en elektriciteit. Natuurkunde is een van de meest fundamentele wetenschappelijke disciplines, en haar belangrijkste doel is te verklaren hoe de wereld, vanaf het universum tot de kleinste deeltjes, werkt en in elkaar steekt.
Als typische natuurwetenschap, wordt de natuurkunde beoefend in een wisselwerking tussen theorie en experiment, waarbij theorieën leiden tot experimenten, en experimenten kunnen dienen als inspiratie of aanwijzingen voor nieuwe theorieën. Natuurkundige theorieën kunnen zeer ingewikkeld worden, hoewel er in beginsel gestreefd wordt naar eenvoud. Een uitspraak van Albert Einstein luidt, dat een verklaring 'zo eenvoudig mogelijk' moet zijn, 'maar niet eenvoudiger', dus niet ten koste van de juistheid.
Natuurkundige principes zijn relevant voor veel aangrenzende onderzoeksgebieden, zoals biofysica en technologie, waardoor een strikte afbakening van de natuurkunde niet te geven is. Methoden en technieken die afkomstig zijn uit de natuurkunde blijken dikwijls in andere wetenschapsgebieden toepasbaar, en kunnen aanleiding geven tot nieuwe vraagstukken binnen de wiskunde en filosofie.
Uit natuurkundige inzichten vloeien nieuwe technologieën voort. De toegenomen kennis van elektromagnetisme, vastestoffysica en kernfysica heeft bijvoorbeeld geleid tot de ontwikkeling van nieuwe producten, die de moderne samenleving ingrijpend hebben veranderd. Voorbeelden zijn de televisie, computers, huishoudelijke apparaten en kernwapens. Omgekeerd leidde de uitvinding en de verdere verbetering van de stoommachine, die aan de basis staat van de industriële revolutie, tot het ontstaan van de thermodynamica als natuurkundig vakgebied. Vooruitgang in de mechanica inspireerde de ontwikkeling van de differentiaalrekening.
Oorsprong van het woord De meeste talen gebruiken een variant van het woord fysica, naar de titel van het werk Φυσικὴ ἀκρόασις (Phusikè akroasis) van Aristoteles. Het woord natuurkunde is, als alternatief taalpurisme, in de 16de-17de eeuw gemunt door de Brugse geleerde Simon Stevin.
Afbakening thumb|Een laserstraal vanaf de Keck-telescoop-2 op Mauna Kea, Hawaï. Deze straal dient om te corrigeren voor atmosferische turbulentie (seeing) tijdens sterrenkundige waarnemingen, door middel van adaptieve optiek. Rechts is de Melkweg zichtbaar. Uit de sterrenstreepjes blijkt de rotatie van de aarde gedurende de belichtingstijd van 3 minuten. thumb|F-18 Hornet met transsonische snelheid (rond de geluidssnelheid). De kegelvormige wolk ontstaat door condensatie van waterdruppeltjes in de zone van lagere druk en temperatuur achter de vleugel. Ook bovenachter de cockpit is condensatie zichtbaar. thumb|De frequentie en de golflengte van een bewegende geluids- of lichtbron verandert voor de waarnemer door het dopplereffect. Links verdichten de golven zich, maar rechts is hun tussenruimte vergroot.
Natuurkundigen bestuderen het gedrag van materie en energie, evenals hun onderlinge wisselwerking binnen ruimte en tijd. Het kan dan bijvoorbeeld gaan om massa op macroscopische schaal, om straling of om individuele elementaire deeltjes en hun interacties. De natuurkundige bestudeert de niet-scheikundige eigenschappen van stoffen, zoals faseovergangen, viscositeit, kristalstructuur, elektrische geleiding en warmteoverdracht en probeert deze te verklaren. De beperking dat veranderingen van de scheikundige samenstelling niet tot de natuurkunde worden gerekend, is in feite historisch bepaald. Wat er gebeurt binnen atomen, waaruit moleculen zijn samengesteld, wordt weer wel tot de natuurkunde gerekend. De natuurkunde concentreerde zich oorspronkelijk op de niet-levende natuur, maar sinds een eeuw worden in het gemeenschappelijke gebied van de biofysica natuurkundige eigenschappen van levende systemen onderzocht.
De natuurkunde is een exacte wetenschap, dat wil zeggen dat men streeft naar wiskundige precisie in uitspraken over natuurkundige verschijnselen. De onzekerheidsmarge wordt kwantitatief aangegeven. Vaak worden bewust vereenvoudigende wiskundige modellen gebruikt, zo worden de planeten bij de berekening van hun baan in goede benadering eerst voorgesteld als bolvormig. De klassieke mechanica uit de zeventiende eeuw geldt, door het opkomen van de kwantummechanica, sinds het begin van de twintigste eeuw alleen onder de volgende, twee beperkende voorwaarden: de snelheden zijn klein ten opzichte van de lichtsnelheid, en de hoeveelheden materie zijn macroscopisch. Bij experimenteel natuurkundig onderzoek moet altijd rekening gehouden worden met meetfouten. In de moderne kwantummechanica spelen fundamentele onbepaaldheden in de natuurkundige grootheden zelf (bijvoorbeeld plaats en impuls – de onzekerheidsrelatie van Heisenberg in de deeltjesfysica) een centrale rol.
De moderne natuurkunde kan men onderverdelen in onder andere: de theoretische natuurkunde of theoretische fysica is een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met natuurkundige theorieën. Daarmee onderscheidt deze tak zich van de volgende twee. de experimentele natuurkunde voert experimenten uit. Het doel kan daarbij zijn om bestaande theorieën te verifiëren of weerleggen, maar vaak dient juist het experiment als basis voor de theorie. de technische natuurkunde past de bekende natuurkundige wetten toe in apparaten, machines, vliegtuigen, nieuwe materialen, energiecentrales enzovoorts. Daarnaast zijn er nog vele specialisaties die deze onderverdeling overstijgen, zoals medische fysica, kernfysica, vastestoffysica etc.
Er zijn veel raakvlakken met andere exacte wetenschappen: wiskunde. De wiskunde is onmisbaar om natuurkundige waarnemingen in de vorm van een samenhangende, kwantificerende en toetsbare theorie te gieten. Tegenwoordig gaat natuurwetenschappelijk onderzoek nog maar zelden gepaard met nieuwe ontwikkelingen in de toegepaste wiskunde. Vooral in de 17e, 18e en 19e eeuw hebben geleerden als Newton, de familie Bernoulli, Gauss, Stokes, Lagrange, Euler, Fourier en Henri Poincaré aanzienlijk bijgedragen aan de ontwikkeling van nieuwe gebieden in tegelijkertijd de natuurkunde en de wiskunde. De differentiaalrekening, vectoranalyse, potentiaaltheorie en Fourieranalyse zijn een nuttig onderdeel van de mathematische fysica. Tegenwoordig is de combinatie uitzonderlijker, hoewel theoretici in de snaartheorie ook nieuwe wiskunde ontwikkelen, Edward Witten bijvoorbeeld. scheikunde, waar gekeken wordt naar reacties tussen verschillende stoffen. De fysische chemie en de kwantumchemie horen tot het raakvlak tussen de twee. astronomie, want de wetten van de fysica zijn van toepassing op de aarde en alle hemellichamen, stofdeeltjes en gaswolken zowel binnen als buiten het zonnestelsel. biologie, die zich bezighoudt met alle levensvormen, raakvlak met biofysica, bio-informatica.
Methode thumb|Lavafontein van 10 m hoog in de vorm van een parabool toont zowel Galilei's valwet als zwarte straling – de temperatuur is af te lezen aan de kleur met de Wet van Wien. Pahoehoe-type lava, ten zuiden van Pu‘u Kahaualea, Hawaï, United States Geological Survey, 1983. De natuurkunde ontwikkelde de wetenschappelijke methode en gebruikt die nog steeds. Voor het doen van samenhangende en onderling vergelijkbare waarnemingen is een systeem van natuurkundige grootheden en eenheden ontwikkeld.
Met hypotheses, experimenten, waarnemingen en metingen probeert de natuurkundige verborgen patronen te achterhalen. Deze worden samengevat in een natuurkundige theorie. Hoewel het gebruik van wiskunde geen doel op zichzelf is, zijn wiskunde en natuurkundige theorievorming sinds de tijd van Christiaan Huygens' slingertheorie en Isaac Newtons Principia Mathematica onverbrekelijk met elkaar verbonden. Met zo'n theorie kan men nieuwe toetsingsexperimenten bedenken. Als de voorspelde uitkomsten inderdaad waargenomen worden, kan de theorie verder uitgebouwd worden. Blijken de voorspellingen onjuist, dan wordt de theorie bijgesteld of zelfs geheel verworpen en wordt een nieuwe theorie gezocht.
Een natuurkundige theorie is dus nooit een onaantastbare waarheid. Ze dient altijd open te staan voor toetsing aan nieuwe waarnemingen en kan ter discussie gesteld worden wegens het ontstaan van nieuwe inzichten. Daarom is de ergste kritiek die een theorie kan treffen het verwijt nicht einmal falsch (zelfs niet fout, een uitspraak van de Oostenrijkse theoreticus Wolfgang Pauli). Een verkeerde theorie kan door het uitlokken van een experimentele weerlegging de wetenschap verder helpen met waarnemingen die anders nooit gedaan zouden zijn, maar een ontoetsbare theorie is helemaal nutteloos.
Natuurkundige theorieën die over langere tijd een belangrijke groep waarnemingen kunnen verklaren worden natuurwetten genoemd, bijvoorbeeld de wetten van Maxwell. Er is overigens geen formeel onderscheid tussen theorieën en wetten. De kans dat zo'n natuurwet ooit helemaal gefalsificeerd wordt is zeer gering. Vaker wordt een bestaande theorie een speciaal geval van een nieuwe overkoepelende theorie. Een bekend voorbeeld daarvan is de klassieke mechanica van Isaac Newton, die na ruim twee eeuwen ogenschijnlijke onaantastbaarheid een bijzonder geval voor lage snelheden is geworden van de speciale relativiteitstheorie, die op haar beurt weer een bijzonder geval voor het geval eenparige bewegingen werd van de meeromvattende algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Daarnaast werd de klassieke mechanica ook een speciaal geval (namelijk op macroscopische schaal) van de bredere kwantummechanica.
Vakgebieden Oorspronkelijk was de natuurkunde een overzichtelijk vakgebied. Voor een getalenteerd mens was het in het begin nog mogelijk om het gehele terrein van de natuurkunde te overzien en te beheersen. Veel natuurkundigen hielden zich met diverse en soms ver uiteenlopende natuurkundige gebieden bezig. Zo ontdekte Isaac Newton bijvoorbeeld een wiskundige uitdrukking voor de zwaartekracht waardoor een appel op de grond valt. Maar ook bedacht hij dat diezelfde zwaartekracht zorgt voor de wederzijdse aantrekking van de aarde en de maan. Newton bestudeerde tevens het licht en ontdekte dat wit licht in vele kleuren uiteenvalt als het door een prisma gebroken wordt. Ook werkte Newton aan warmte en eigenschappen van vloeistoffen en ontwikkelde hij de spiegeltelescoop, maar aan elektriciteit kwam hij niet meer toe.
Door het succes van Galilei, Newton en hun opvolgers is de natuurkunde steeds verder uitgebreid en is het voor een menselijk individu niet meer mogelijk om het hele terrein gedetailleerd te volgen. Daarom specialiseren de meeste natuurkundigen zich op een bepaald terrein. Ondanks de specialisaties binnen de natuurkunde, is het dankzij de gemeenschappelijke basis mogelijk veel natuurkundige deelgebieden met elkaar in verband te brengen. Gebieden die voltooid leken – bijvoorbeeld de optica – werden weer gestimuleerd door nieuwe ontdekkingen, bijvoorbeeld de ontdekking van laserlicht en van het foton dankzij de kwantummechanica.
In de opsomming hieronder wordt onderscheid gemaakt tussen klassieke natuurkunde, dat zijn onderzoeksgebieden die al als dusdanig erkend werden voor de grote omwentelingen van het begin van de 20ste eeuw, en moderne natuurkunde, ofwel onderzoeksgebieden die pas zijn ontstaan na de ontdekking van de relativiteitstheorie en de kwantumtheorie, en die voor hun bestaan volledig van die theorieën afhankelijk zijn. Ook worden enkele interdisciplinaire vakgebieden genoemd.
Klassieke natuurkunde Akoestiek – de studie van geluid, zowel in lucht als in andere voortplantingsmedia.