Fysiikan historia. Kevät 2013 Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

Transkriptio

1 Fysiikan historia Kevät 2013 Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

2 Fysiikan historia Luento 1 Rafael: Ateenan koulu

3 Milloin fysiikka alkoi? Ensimmäiset järjestäytyneet yhteiskunnat syntyivät suuriin jokilaaksoihin: Egypti (Niili), Mesopotamia (Eufrat ja Tigris), Indus ja Punainen joki. Egyptissä kehittyi käytännön tarpeisiin matematiikkaa (rakentaminen, kauppa, verotus, ) ja astronomiaa (vuodenaikojen seuraaminen, tulvan tulon ennustaminen, ). Kymmenjärjestelmä. HieroglyHikirjoitus. Mesopotamiassa sumerilaiset (4000 eaa) keksivät kirjoitustaidon ja he ja heidän seuraajansa babylonialiset ottivat käyttöön seksagesimaalisen lukujärjestelmän (60- järjestelmän). Matematiikka kehittyneempää kuin Egyptissä. Keksivät nollan n. 300 eaa. Nuolenpääkirjoitus. Luonto selitettiin mytologian ja uskonnon muodossa, taikuus oli oleellista elämässä pärjäämiselle. Kreikkalaiset astuivat tieteen näyttämölle noin 600 eaa. Tapahtui siirtyminen yliluonnollisesta luonnolliseen fysikaalisen maailman selittämiseen. Kreikkalainen ihme.

4 Katkaistun pyramidin tilavuuden laskeminen. Egyptiläinen hieroglyfi. " Example of calculating a truncated pyramid. If you are told: a truncated pyramid of 6 for the vertical height by 4 on the base by 2 on top: You are to square this 4; result 16. You are to double 4; result 8. You are to square this 2; result 4. You are to add the 16 and the 8 and the 4; result 28. You are to take 1/3 of 6; result 2. You are to take 28 twice; result 56. See it is of 56. You will find (it) right." V = h 3 (a2 + ab + b 2 )

5 Antiikin ajan fysiikka Aika ennen Sokratesta ( eaa) Luonnon%iloso%it hylkäsivät jumalat luonnonilmiöiden (maanjäristykset, ukkonen jne.) syinä. Korvasivat ne luonnollisilla syillä. Heille ei riittänyt luonnonilmiöiden säännöllisyyden tunnistaminen vaan he halusivat löytää esimerkiksi taivaankappaleiden liikkeiden rationaaliset syyt. Kreikkalaisen tieteen kehto oli Jooniassa, joka oli karavaanireittien solmukohta ja Välimeren kaupan suuri keskus.

6 Merkittäviä luonnonfilosofeja Thales (n eaa) Matkusti laajasti esim. Egyptissä. Tunsi hyvin geometrian (arvioi rakennuksin korkeuksia ja laivojen etäisyyksiä). Ensimmäinen joka oivalsi yleisten periaatteiden suuren merkityksen yksittäisten probleemojen ratkaisemisille. Ensimmäinen, joka mietti aineen mikrorakennetta. Tunsi staattisen sähkön vaikutuksen (meripihkan hankaaminen). Oli monisti eli pyrki selittämään luonnon yhden ainemuodon avulla. Hänelle vesi kaiken alku ja juuri, kaikki aine on peräisin siitä. Veden perimmäinen ominaisuus virtaaminen. Veden virtaus kaiken liikkeen perimmäinen syy. Aine ja voima muodostavat kokonaisuuden.

7 Anaksimandros ( eaa) Thalesin oppilas Maailmankaikkeus syntyi alkukaaoksesta tai alkumassasta apeironista, jossa vastakohtaisuudet (kuiva- märkä, kylmä- kuuma,...) aiheuttivat luonnossa havaittavat muutokset, ohjasivat tapahtumia. Kaaos toi kappaleille muodot ja monimuotoisuuden. Apeiron muistuttaa nykyistä käsitystä tyhjästä, vakuumista. Rajaton avaruudessa ja ajassa. Voima ja aine muodostavat kokonaisuuden Eläimet kehittyivät mutaatiolla, ihminenkin eläimestä. Varhainen evolutionisti, vaikka ei puhunutkaan luonnonvalinnasta. Rakensi aurinkokellon ja piirsi ensimmäisen maailmankartan. Katso: Rafael: Ateenan koulu

8 Anaksimenes ( eaa) Anaksimandroksen oppilas Kaikki olevainen on ilmaa vaihtelevalla tiheydellä, myös jumalat. Kylmyys ja kuumuus saa ilman muodostamaan muotoja. Maa on ilmassa leijuva, tihentyneestä ilmasta muodostunut levy. Samoin ovat muodostuneet Aurinko ja tähdet. Thales, Anaksimandros ja Anaksimenes muodostivat miletolaisen koulukunnan. Heitä kutsutaan monisteiksi: he pyrkivät selittämään kaiken yhden peruselementin tai aineksen avulla. Tämä perusaines sinänsä on pysyvää ja muuttumatonta. *** Samaan aikaan Kiinassa vaikutti Kongfutse ( ), moraalihilosohi. Hänen aikanaan luonnontiede oli heikoilla. Tilanne muuttui vasta kun taoismi pääsi muutama sata vuotta myöhemmin vallalle. Vasta silloin Kiinassa päästiin miletolaisten tasolle. Intiassa Gautama Buddha ( ) perusti taikauskon vastaisen ja järkeilyyn ja totuuteen perustuvan HilosoHisen suuntauksen. Tämä HilosoHia olisi tarjonnut hyvän pohjan luonnontieteelle, mutta valitettavasti Buddhalta itseltään puuttui täydellisesti kiinnostus maallisista asioista.

9 Herakleitos ( eaa) Ensimmäinen kokonainen HilosoHinen järjestelmä Uskoi sattuman voimaan. "Aika on lapsi, joka siirtää pelimerkkejä; kuninkaallinen voima on lapsen". Vastakohtaisuudet oleellisia. "Vastakohta tuo sopusointua. Epäsovusta tulee puhtain harmonia". Piti maailmaa ikuisena, sen osat vain muuttuvat toisikseen. Eräänlainen aineen säilymislaki. Muutoksen symbolina käytti tulta. Piti lämpöä aineena. Sama ajatus pulpahti pintaan uudelleen luvulla. - Lisänimi Hämärä, ajatukset vaikeaselkoisia: Samaan virtaan astumme emmekä astu, me emmekä me. "Kaikki virtaa, mikään ei pysy paikallaan. - Hänkin oli monisti: muutos on kaiken takana. Hendrick ter Brugghen, Herakleitos

10 Parmenides (s. 510 eaa., Elea, E- Italia) oppilaansa Zenonin (n eaa) kanssa haastoi muutos- ajatuksen. Heidän mukaansa muutos on aistien aiheuttama harha. Aistit korvattava järkeilyllä. Muutos on looginen mahdottomuus, samoin liike. Zenonin paradoksit esimerkkejä liikkeen absurdiudesta: esim. dikotomia (matkaanlähdön mahdottomuus, Akilles ja kilpikonna, lentävä nuoli.) Monisteja äärimmäisiä sellaisia kieltäessään muutoksen ja liikkeen: pysyväisyys ( oleminen ) kaiken takana. Olemassa oleva on pysyvää, koska muuten sen olisi pitänyt syntyä ei- olemassa- olevasta ja hävitä muuttumalla ei- olevaksi, mikä on mahdotonta. Koska Akilles ei saa kiinni kilpikonnaa, liike kaiken kaikkiaan on mahdotonta. zeno/ Parmenides Rafaelin maalauksessa Ateenan koulu.

11 Parmenideksin ja Zenonin kritiikin takia monismi korvattiin pluralismilla. Luonnon ajateltiin rakentuvan useista peruselementeistä. Empedokles ( eaa), Sisilia Kaikki aine koostuu neljästä elementistä (juuresta): tuli,vesi, maa, ilma Elementit eivät muutu toisikseen Kaksi perusvoimaa: rakkaus (keskihakuinen) ja riita (keskipakoinen). Ne liittävät elementtejä yhteen ja erottavat niitä toisistaan. Neljän elementin teoria säilyi renesanssiin ( jaa) asti. Valolla on äärellinen nopeus (osoitettiin 2000 vuotta myöhemmin). Henkilönä jossain määrin ylimielinen. Hyppäsi Etnan kraateriin todistaakseen jumalallisuutensa ja kuolemattomuutensa (tarina). Empedokle- sin kirjoitusta

12 Anaksagoras ( eaa) Anaksimenesin oppilas. Toi Hilosofoinnin helleenisen maailman reuna- alueelta Jooniasta Ateenaan, jonne muutti ja asui 30 vuotta. Kuten Empedokles, uskoi että elementit voivat liittyä yhteen ja myös erota toisistaan. Uskoi, että jokainen kappale koostuu omanlaisistaan hiukkasista, ytimistä, mutta se sisältää tiettyinä osuuksina myös kaikkia muita hiukkasia. Kun lehmä syö vehnää, se syö samalla myös siinä olevia nahkahiukkasia, luuhiukkasia ja verihiukkasia jne. Kosmologinen malli, jossa luominen tapahtui äärettömästä alkumassasta ja luojana oli Järki. Kappaleet olivat alkumassassa olemassa jonkinlaisina hiukkasmaisina miniatyyreinä. Korosti kehityksen kaaoksesta järjestykseen tapahtuneen mekaanisesti, jonkinlaisen pyörimisen seurauksena. Yritti löytää järjellisen selityksen taivaankappaleiden liikkeille ja meteoreille. Joutui hankauksiin horjuttaessaan näin uskomuksia.

13 Leukippos (400- l. eaa) Atomismin isä Kaikki maailmassa koostuu katoamattomista, jakamattomista elementeistä, atomeista. Kaikkeus koostuu tyhjyydestä ja siellä liikkuvista atomeista ja niiden muodostamista kappaleista. Hiukkaset kieppuvat ja törmäilevät avaruudessa. Kaikilla tapahtumilla on jokin syy, ja ne tapahtuvat välttämättömyyden pakosta. Tähän me uskomme yhä. Jäänyt oppilaansa Demokritoksen varjoon; D. jalosti ja systematisoi Leukippoksen ajatuksia. Demokritos (n eaa, Abdera) Merkittävin antiikinajan Hilosofeista, joka tutki mikrokosmosta. Atomeilla vain muutamia ominaisuuksia: koko, muoto ja massa. Muodot selittivät mm aineen maun. Kovassa aineessa atomit tiheämmässä kuin pehmeässä aineessa. Aineiden poikkeavat ominaisuudet johtuvat atomien erilaisista liikkeistä ja erilaisista järjestyksistä. Vakuumi = ei mitään Kaikkeus koostuu useista maailmoista, joista osa asuttuja

14 Leukippoksen ja Demokritoksen atomioppia veivät eteenpäin Epikuros ( eaa) ja Lukretius (95-55 eaa). Atomistit olivat aikaansa edellä. On kuitenkin muistettava, että heidän ajatuksensa perustuivat puhtaaseen päättelyyn ja olivat täysin vailla kokeellisia tai havaintotodisteita. Atomistien ajatukset jäivät taka- alalle, kun Aristoteleen %iloso%ia sai yliotteen. Keskiajalla fysiikka kehittyi kirkon hallitsemassa Euroopassa vain vähän. Viestiä antiikista keskiajalle veivät paljolti islamilaisen maailman tiedemiehet. Kreikkalaisten ja arabialaisten kirjoitusten kääntäminen latinaksi luvulta lähtien elvyttivät tutkimusta Euroopassa.

15

16 Aristoteles ( eaa) Atomistit oli ns. esisokratelaisia Hilosofeja. Sokrates (n eaa.) aloitti uuden kauden, jossa siirryttiin luonnonhilosohiasta moraalin ja politiikan aiheisiin. FilosoHian isä. Platon ( eaa.) oli Sokrateen merkittävin oppilas, dokumentoi Sokrateen opit. Aristoteles oli Platonin oppilas. Kotoisin Makedoniasta.LuonnonHilosoHi ja empiristi.

17 Aristoteleen elämä Opiskeli Platonin Akatemiassa Ateenassa. Oli siellä lähes 20 vuotta, Platonin kuolemaan saakka. Makedoniassa Aleksanteri Suuren opettajana useita vuosia. Oppi ei kantanut hyvää hedelmää. Palasi Ateenaan ja perusti Lyseon (peripateettisen koulun). Opetti siellä 12 vuotta ja kirjoitti tärkeimmät työnsä. Valtava tuotanto. Osallistui kaikkien sen aikaisten tieteenalojen tutkimukseen anatomiasta tähtitieteeseen ja politiikasta fysiikkaan. Hän käsitteli myös kirjallisuutta, kasvatusta ja ulkomaisia tapoja. Makedonian vastainen ilmapiiri sai hänet jättämään Ateenan vuotta ennen kuolemaansa. En anna heidän tehdä toista rikosta HilosoHiaa vastaan. Aristoteles ja Aleksanteri Suuri

18 Aristoteleen teoksia kaikkiaan n. 200, joista 30 pidetään varmasti hänen tekeminään. Toimitettiin nykyiseen muotoon n. vuonna 70. Fysiikan teokset: Fysiikka (Physica) Taivaasta (De caelo) Syntymisestä ja häviämisestä (De generatione et corruptione) Meteorologia (Meteorologica) Maailmankaikkeudesta (De mundo) * Väreistä (De coloribus) * Kuulemisesta (De audibilibus) Mekaniikan ongelmat (Mechanica) * Ongelmat (Problemata) * Jakamattomista viivoista (De lineis insecabilibus) * Tuulten sijainneista ja nimistä (Ventorum situs et cognomina) * Aristoteleen Lyseon rauniot

19 Aristoteleen ajattelun periaatteet Tiedon perusta ovat aistihavainnot Tieteellinen tieto vaatii yleisen tason väittämiä Nämä yhdessä käytettynä luovat tieteellisen tiedon A. ei tehnyt kokeita, ajatteli niiden häiritsevän ja vääristävän tapahtumia. Biologia oli poikkeus. Luonto toimii syiden kautta, syyt aiheuttavat liikkeen ja muutokset. Aineellinen eli materiaalinen syy, eli aine josta asiat on tehty. Muodollinen eli formaalinen syy, eli muoto tai olemus, joka on malli sille, millainen asian tulisi olla. Aiheuttava syy eli aiheuttaja, se josta muutos sai alkunsa. Tämä vastaa nykyistä käsitystä kausaalisesta syystä. Päämääräsyy eli tarkoitus tai loppu, johon on tarkoitus päästä.

20 Aristoteleen luonto Kuunalinen maailma: maa, vesi,tuli, ilma Kuunylinen maailma (tähdet ja planeetat): eetteri eli kvintessenssi. Aine pyrkii kohti luonnollista paikkaansa: kivi on maata, tipahtaa alas; savu on tulta, pyrkii ylös ilmaan. Paikoillaan oleminen on kappaleiden luonnollinen olotila, johon ne pyrkivät. Maa, vesi ja ilma pyrkivät kohti Maan keskustaa, tuli jonnekin ylös. Tämän luonnollisen liikkeen lisäksi on olemassa aiheutettua liikettä, esim. ammuttu nuoli ilmassa. Liike tarvitsee voimaa. Kun voima lakkaa vaikuttamasta, liike pysähtyy. Ilma aiheuttaa nuoleen voiman, joka pitää nuolen lentämässä. Aristoteleen käsitykset liikkeestä näkyvät myös nykyihmisen ajattelussa. Inertian käsite eli se, että voimaa tarvitaan vain liikkeen muuttamiseen, ei sen ylläpitämiseen, ei ole ilmeinen arkikokemuksen perusteella (esim kitkailmiöiden takia).

21 Aristoteleen liikekäsitykseen perustuva kuva tykinkuulan lentoradasta. Alun vino osa on aiheutettua liikettä, kaareva radan osa on ympyrän kehää ja loppu pystysuora luonnollista liikettä.

22 Aristoteleen kosmologia Maailma ei syntynyt yhdessä pisteessä tiettynä hetkenä vaan on ollut olemassa ikuisesti muuttumattomana. Pallo on kaikista muodoista täydellisin. Aurinko, Kuu ja planeetat ovat täydellisiä palloja, ja ne ovat ikuisia. (Alun perin Eudoksoksen ( ) idea.) Maailmankaikkeus koostuu sisäkkäisistä, liikkuvista palloista tai kehistä, joiden keskipiste on Maan keskellä. Sisimpänä on Kuuta liikuttava kehä, uloimpana kiintotähtien kehä. Aristoteleen mallissa oli lopulta 55 eri kehää. Ei pitänyt kehiä konkreettisina rakennelmina, myöhemmin alettiin pitää. Kutakin kehää liikuttaa lähin sen ulkopuolella oleva kehä. Ulointa, kiintotähtien kehää liikuttaa ylin liikuttaja. Monimutkaisuudestaan huolimatta tai sen ansiosta malli selitti ja ennusti useimmat tähtien ja planeettojen liikkeet.

23 Klaudius Ptolemaios (90-168) eli Egyptin Aleksandriassa Rooman valtakunnan aikaan. Kehitti Aristoteleen tähtitiedettä edelleen ottaen huomioon etenkin Babyloniassa vuosisatojen aikana tehdyt tarkat havaintotiedot. Hänen kirjansa Almagest laaja kokoomaesitys antiikin tähtitieteestä, ainoa sellainen, joka tunnetaan. Islamilaiset tähtitieteilijät täydensivät ja tarkensivat sitä vuosisatojen aikana. Kirjan taulukkojen avulla voitiin määrittää planeettojen radat, ja kirjassa oli myös kattava luettelo tähdistä. Aristoteleen ja Ptolemaioksen maakeskinen malli säilyi vallitsevana maailmakaikkeuden mallina luvulle saakka.

24 Ptolemaioksen malli Deferentti Episykli

25 Hellenistinen maailma