Fysikaalinen maailmankuva 2015

Transkriptio

1 Fysikaalinen maailmankuva 2015 Maailmankuva ja sen muodostuminen luennoitsijat: Prof. Juha Vaara, laskennallinen fysiikka, NMR Prof. Matti Weckström, biofysiikka, neurotiede Luennot, 20 tuntia + muu materiaali (luennot löytyvät wikistä (wiki.oulu.fi Ei laskuharjoituksia tai muita teoreettis- matemaattisia tehtäviä, tenttiesimerkkejä wikissä. Mitä tällaiselta kurssilta voisi odottaa?

2 42

3 Mikä on maailmankuva? Maailmaa ( olevaista ) koskevien käsitysten kokonaisuus, minkälaisena ihminen näkee maailman ja tulkitsee sen tapahtumia. Maailman toiminnan säännöt ja niiden pelikenttä Fysiikan maailmankuva viittaa siihen, että fysiikka on olennainen osa tieteellisen (eli tieteellisin keinoin hankitun) maailmankuvan perustaa Kurssilla käsitellään siis fysiikan roolia tieteellisessä maailmankuvassa

4 Miksi juuri fysiikka auttaa maailmankuvan muodostuksessa? Fysiikka on luonnontiede, joka tutkii maailmaa sen kaikilla tasoilla, atomeista ja hiukkasista tähtiin ja koko maailmankaikkeuteen. Fysiikan tarkoituksena on ymmärtää maailmaa. Ymmärtämisen seurauksena asioita voidaan myös ennustaa ja ennakoida. Fysiikassa tutkitaan ilmiöitä ja rakenteita joita luonnossa esiintyy tai joita voidaan keinotekoisesti tuottaa. Matematiikka esimerkiksi tutkii kaikkia mahdollisia teoreettisia asioita Fysiikan keskeinen elementti on sen kokeellinen luonne. Teoreettiset ennusteet täytyy voida kokeellisesti testata, jotta nähdään onko kyse aidosta luonnonilmiöstä vai ainoastaan mielikuvituksen tuotteesta. Tähän palataan

5 Kurssin sisältöä Ymmärrystä fysiikasta yleisellä tasolla (!) Koulukurssin perusteella saatujen tietojen merkitys? Hyvä käsitys siitä, mistä keskustellaan, terminologia, perusajatus luonnonlaista ; Klassinen fysiikka painottuu; Millaisista asioista fysiikassa voidaan puhua? Mittaukset ( empiriikka ), laskenta, mallintaminen Mitä fysikaalinen maailmankuva voi pitää sisällään? Rakenne, säännöt, metafysiikka, matematiikka Olennaisia osia fysiikan ja maailmankuvan historiallisista käännekohdista ja henkilöistäkin historiallinen aspekti on mukana.

6 Kurssilla käsiteltäviä asioita Luonnonlait ja niiden luonne Myös Feynmanin kirjan nimi; siis jokseenkin keskeinen asia Todellisuuden luonne millainen pelikenttä on Aika, paikka, ulottuvuudet, tavat lähestyä todellisuutta Vuorovaikutukset Perustavanluonteiset luonnonvoimat, lait ja niiden pätevyys, säilyvyys ja symmetriat Hypoteesit ja teoriat mikä on tieteellinen metodi? Päättely, hypoteesijohtoinen tiede Teoreettinen ja kokeellinen tiede + teorioiden testaus ja uudet teoriat?

7 Maailmankuvan yksi tärkeä osa on sen historia: Miten tähän on tultu? Mistä maailmankaikkeus on peräisin? Miten aineen osaset ja niiden väliset vuorovaikutukset ovat muodostuneet? Mikä on maailmankaikkeuden tulevaisuus?

8 Luentoja tukevaa materiaalia - Richard Feynman: The Character of Physical Law (1965) (suom. Fysiikan lain luonne), luennot, jotka Richard Feynman piti Cornellin yliopistossa 1964 (URSA 1999) chard_feynmans_legendary_lecture_series_at_cornell_1964.html - Hugh D. Young & Roger A. Freedman: University Physics, 11. Painos (Addison -Wesley) - Feynman, Leighton, Sands: The Feynman lectures on physics I-III - QED (kvanttielektrodynamiikka), Feynman-lecture: um_electrodynamics_for_the_nonscientist.html - David Deutsch: Todellisuuden rakenne - muuta: prof. Kari Enqvistin populaarituotanto : - Esko Valtaojan luento tieteestä ja uskomuksista ja maailmankaikkeudesta

9 Mikä mies oli Richard Feynman ( )? Nobelisti (1965) Kouluttaja Opettaja (?) Atomipommitiimin jäsen Manhattan projektissa Bongorumpali Ikonoklasti (mikä merkitys tällä on tieteessä??) QED:n keksijä, Feynmanin diagrammien kehittäjä Miksi Feynmanin ajatukset ovat käyttökelpoisia? Vielä Feynmania, jos katsot tämän, huomaa päättely mahdollisesta ja mahdottomasta: flying_saucers.html

10 Luento 1 Luonnonlait ja luonnonlakien luonne ( Berkley, Hume, Newton, Einstein, Feynman...) Mikä on luonnonlaki Fysiikan opinnot ja maailmankuva? Erilaisten oppijärjestelmien erot maailman kuvaajana (ideologiat, uskonnot, tiede) Fysiikan keskeinen merkitys maailmankuvan muodostumisessa Esimerkki: Aine koostuu atomeista (Demokritos, Dalton,... (yksi merkittävimmistä maailmankuvan kulmakivistä, jonka avulla voidaan ymmärtää aika monta asiaa...)

11 Luonnonlait ja luonnonlakien luonne Miten luonto on rakentunut järjestys vai kaaos? Mitä järjestys kertoo maailmasta? Miten järjestystä voidaan kuvata? Mikä on järjestyksen tarkempi luonne? Kone ( clockwork ; Descartes), säätöjärjestelmä, organismin kaltainen systeemi ( Gaia )?

12 Maailman kuvailun lähtökohta on väistämättä ihminen Se mitä ei ole ymmärretty, on kulttuurien historiassa täytetty magiikalla, hengillä ja jumalilla Maailmankuvan kehityksessä on vähitellen kuitenkin luovuttu ihmis- ja magiikkakeskeisestä järjestelmästä

13 Luonnonlait ja luonnonlakien luonne Erilaisia luonnon ja sen ilmiöiden kuvaustapoja: - kertomus (kuvailu), sadut ja tarut - maailman herättämät tuntemukset - uskomukset maailman rakenteesta ja toiminnasta - säännönmukaisuuksien etsintä ja säännönmukaisuuksien kuvaus Luonnonlait, fysiikka + muut luonnontieteet

14 Vahvoja maailmankuvan muodostajia ja vaikuttajia? Gurut, ajatollahit ja muut opettajat

15 Ideologiat maailmankuvan muodostajina? Seurauksena mm. historiallinen dialektiikka, rotuopit, Natsien ja Neuvostoliiton tiedepolitiikka; osa myös uskontoon sekoittuneina; scientologia, teosofia, antroposofia (Steiner-koulut); nykyiset pseudotieteen suuntaukset

16 Miten tiede on poikkeavaa? Ei uskota vaan epäillään, skeptismi>kreikan skefto (skeftw) = ajatella (ns. Sokrateen menetelmä, kyseenalaistetaan vallitseva ajattelutapa) - Totuus = tavoiteltava tiedon taso, ei vallitseva tiedon taso - Epäily johtaa uusiin ajatuksiin ja jopa HEUREKA! todellisuuden testaamiseen (kokeellisesti ja teoriassa) - Me tiedämme, että emme tiedä kaikkea! osa nykytiedosta joudutaan joskus hylkäämään, korvaamaan tai oppimaan eri tavalla - Iteratiivinen totuuskäsitys: totuutta lähestytään (mutta siis miten?)

17 Miten tiede ja sen mukana fysiikka poikkeaa näistä? Tiede on itseään korjaavaa? - Korjausta tapahtuu joka päivä; vuosittain n tieteellistä raporttia uusista asioista - Osa korjautuvuudesta on hidasta: guruja on tieteessäkin, mutta: - Gurujen poistuminen avaa uudistumiselle mahdollisuuksia - Yksi pseudotieteen muoto: Postmodernistinen nihilismi: kaiken merkitys on löydettävissä ihmisestä/yhteiskunnasta ja on siksi aina vain suhteellista. Tämä on luonnontieteen antiteesi, sille kokonaan vastakkainen maailmankäsitys.

18 Uskonfilosofia ja tiede Mystisismi = uskonasiat ovat sisäinen kokemus (olisiko tämä terve suhtautumistapa?) Evidentialismi = uskonnon määrittämät voimat näkyvät luonnossa (uuden ajan alun näkemys) The clock needs the clockmaker William Paley 1802 Uskonnon (oli se mikä tahansa) ja tieteelliseen menetelmään perustuvan maailmankuvan yhdistäminen on hyvin vaikeaa yhdistämisessä joko uskova tai tieteentekijä joutuu luopumaan periaatteistaan Fysiikan kannalta uskonnot ovat ihmisen sisäistä kokemusmaailmaa

19 Ihminen kaiken keskus? Antrooppinen periaate, Brandon Carter 1974 heikko ja vahva muoto (= engl. weak and strong anthropic principle) Kopernikaaninen periaate: meillä, maapallolla tai omalla universumillamme ei mitään erityisasemaa (siis edelliselle päinvastainen käsitys) Tähän päädytään helposti ekstrapoloimalla tieteen ja maailmankuvan historiaa: olemme luopuneet maapallosta, auringosta ja omasta galaksistamme kaiken keskuksena ja ihmisestä jumalan luomana erityisolentona. Samalla voimme luopua luonnonlakien erityispiirteistä ihmiselle räätälöityinä järjestyksen elementteinä.

20 Mitä fysikaalinen maailmankuva voi pitää sisällään? Lakeja Jokaisella tapahtumalla on syy, joka ajallisesti edeltää tapahtumaa = kausaalisuus dv F ma m m dt mm Fg G r 2 RT [ ioni ] Em ln zf [ ioni ] out in 2 d x dx 2

21 Ihminen, maapallo ja gravitaatio (Copyright: prof. Kari Enqvist)

22 Luonnonlait ja luonnonlakien luonne Matematiikan merkitys luonnonlakien muotoilussa on suuri: Luonnon kieli on matematiikka Satunnaiset tapahtumat, kohina, muut stokastiset ilmiöt (Miten näitä pitäisi käsitellä?) Tilastotiede, todennäköisyyden matematiikka, stokastinen signaalinkäsittely Mittaaminen Teoria, matemaattisesti Päättelyn logiikka myös tärkeää esim. ekvivalenssipäättely, sen sijaan implikaatiot (jos A niin B) johtavat ristiriitoihin

23 Fysiikan opinnot ja luonnonlait Perusopinnot: osa kaavamaisia, helppoja ei- fyysikoille Johdatus suhteellisuusteoriaan Aineopinnot Mekaniikka peruslait, tärkeitä kaikkialla (=>Lagrance 1788, Hamilton 1833) Aaltoliike ja optiikka värähtelyjen fysiikkaa, Huygensistä laseriin Sähkömagnetismi sähkö- ja magneettikentät 1800-luvun tasolla Atomifysiikka 1 modernin fysiikan alkeita atomitasolla Kiinteän aineen fysiikka kiteistä suprajohteisiin Ydin- ja hiukkasfysiikka atomiytimistä ydinvoimaan Termofysiikka energia, lämpö ja entropia

24 Luonnonlait ja luonnonlakien luonne Luonnonlakien universaalisuus? - Eri aika, eri paikka laki silti voimassa Lakien todistaminen - Voimassa vain toistaiseksi, toistuva testaaminen vahvistaa lakia psykologisessa mielessä, verifikaatio vastaan falsifikaatio? Tilastolliset lait ja todennäköisyyslait Teoria ja mittaaminen käyvät käsi kädessä!

25 Luonnonlait ja luonnonlakien luonne Luonnonlakien kauneus? Kenen mielestä? Lakien yksinkertaisuus Kenen mielestä? Mitä yksinkertaisuus tarkoittaa? (= kauneus?) Occam s razor!: Maailman selittämisessä on käytettävä aina pienintä selittävää määrää tekijöitä myös: Everything should be made as simple as possible, but no simpler. (A. Einstein) Kauneus symmetria säilymislait William of Ockham