Fysiikan historia kevät Luento 4

Transkriptio

1 Fysiikan historia kevät 2013 Luento 4

2 Ensimmäinen tieteellinen vallankumous Ensimmäinen tieteellinen vallankumous oli monen tekijän tulos: Renessanssi taiteessa, taloudessa ja tekniikassa käänsi huomion maailman fysikaaliseen puoleen. Uskonpuhdistus loi omalta osaltaan ilmapiiriä kriittiseen ajatteluun. Talouselämän kasvu: löytöretket, Amerikan löytyminen 1492, siirtokuntien perustaminen, kaupan vilkastuminen ja eri valtioiden välisen kilpailun lisääntyminen. Bysantin keisarikunnan kukistuminen 1453 katkaisi yhteyden kreikkalaiseen kulttuuriin. Vallankumous fysiikassa: Aurinkokeskisen mallin läpimurto Painovoimalain keksiminen Liikelakien keksiminen Valon ominaisuuksien selvittäminen ja monet muut keksinnöt kaikilla fysiikan pääaloilla.

3 Veden poistaminen kaivoksesta vinssillä, jota pyörittää kahteen suuntaan toimiva vesimylly. Acricola, De re metallica, Basle 1556.

4 Aurinkokeskinen malli Nikolai Kopernikus (Mikołaj Kopernik, Nicholas Koppernijk) ( ) syntyi Torunissa, Puolassa. Opiskeli tähtitiedettä Krakovassa sekä lääketiedettä, lakia ja RilosoRiaa Bolognassa ja Padovassa. Vaikutusvaltainen eno (piispa) järjesti hänelle töitä kirkossa. Toimi pitkään Fromburkin kirkon pappina, kaniikkina. Myös lääkärinä. Tutustui Italiassa tähtitieteilijä saks. Regiomontanuksen ( ) töihin. Ihaili järjestystä, piti Ptolemaioksen episyklejä epäesteettisinä. Halusi parantaa tähtitieteellisten laskelmien tarkkuutta, tärkeää lääketieteellisten (~astrologisten) ennustusteiden tekemiselle. Tämä johti aurinkokeskisen mallin keksimiseen. Kopernikus tunsi vastaavat antiikin ajan ideat (Aristarkhos, n. 270 BC). Ei pitänyt ajatusta omanaan. Kopernikus

5 Vuonna 1514 laati pienen kirjasen (6 sivua) Commentariolus, jossa oli aurinkokeskisen mallin perusideat. Levisi käsikirjoituksena hänen lähipiiriinsä, ja pikku hiljaa laajempaan tietoisuuteen. Viimeisinä elinvuosinaan kirjoitti aiheesta kirjan, De revolutionibus orbium coelestium, joka ilmestyi Wittenbergin yliopiston matematiikan professori Rheticus taivutteli hänet tähän.

6 Katolinen kirkko ei reagoinut heti. Kardinaali Nikolaus Cusanus oli itse asiassa esittänyt ajatuksen liikkuvasta Maasta ennen Kopernikusta. Kirkko salli erilaiset näkemykset. Reaktio tuli myöhemmin. Oppineissa piireissä enemmän vastustusta kuin kannatusta. Pidettiin Aristoteleen oppien ja terveen järjen (?) vastaisena. Tähtitieteilijät eivät olleet mallia vastaan, koska se helpotti laskujen tekemistä. Pitivät mallia laskuvälineenä, ei todellisuuden kuvauksena. Kopernikus itse uskoi, että maailma todella on aurinkikeskinen. Kopernikus pyysi anteeksi sitä, että oli sotkenut matematiikkaa luonnonrilosorisiin tarkasteluihinsa, vaikka tiesi luonnonrilosorian olevan älyllisesti matematiikkaan nähden ylivertaisella tasolla. Matematiikan ja luonnonrilosorian yhdistäminen oli merkittävä edistysaskel ja lähestymistavan muutos. Newton teki tähtitieteestä myöhemmin matemaattisen teorian, joka samalla kertaa sekä kuvaili että ennusti maailmankaikkeuden toiminnan. Giordano Bruno ( ) was a philosopher, who lectured in many universities (e.g. Paris, Oxford, Prague). He was declared heretic for his theological opinions. He strongly advocated Copernicus s heliocentric model. Bruno was executed for heresy not for his Copernicianism- at Campo dei Fiori, Rome, in the spot where now stands his statue.

7 Tycho Brahe ( ) tuli rikkaasta tanskalaisesta suvusta. Hän opiskeli lakia Kööpenhaminassa ja Rostockissa. Vuonna 1560 tapahtunut auringonpimennys innosti häntä tavattomasti. Päätti omistautua tähtien tutkimiselle. Totesi, että tähtitieteen taulukkokirjat vilisivät virheitä, osittain moninkertaisten kääntämisten seurauksena. Havaitsi supernovan Kassiopeian tähdistössä ja komeetan Havainnot järkyttivät aristotelaista kuvaa muuttumattomasta taivaasta. Oli Tanskan kuninkaan suosiossa, jonka tuella rakensi observatorion (Uraniborg) Hvenin saarelle. Siirtyi 1599 Prahaan Pyhän saksalais- roomalaisen keisarikunnan keisarin Rudolf II:n hoviin. Tykon kvadrantti Tykon supernovan jäänteet

8 Tyko oli vallankumouksellinen havaintolaitteitten rakentajana ja käyttäjänä. Vaali niiden tarkkuutta. Teki mittauksia planeettojen ja Kuun radoista koko ratojen mitalta, ei yksin ratojen erikoispisteistä, kuten aiemmin oli tapana. Nämä tarkat mittaukset mahdollistivat Keplerin johtopäätöksen, että radat ovat ellipsejä. Tykolla oli Kopernikuksen mallin kanssa kilpaileva malli: Aurinko ja Kuu kiertävät paikallaan olevaa Maata, planeetat, paitsi Maa, kiertävät Aurinkoa. Ptolemaioksen, Kopernikuksen ja Tykon mallit antoivat hyvin samanlaisia numeerisia tuloksia.

9 Johannes Kepler ( ) opiskeli teologiaatübingenissä. Michael Mästlin opetti hänelle Ptolemaioksen oppia ja yksityisesti myös Kopernikuksen oppia. Puolusti voimakkaasti Kopernikuksen mallia sekä teoreettisin että havaintoihin liittyvin syin. Toimi matematiikan opettajana Itävallassa Grazin lähellä, jossa joutui vaikeuksiin protestanttisuutensa takia. Muutti Prahaan Tykon assistentiksi. Tykon pian kuoltua seurasi tätä hovin matemaatikkona. Oli yhteydessä Galileihin. Sai ensimmäisen kaukoputkensa Myöhemmin kenraali Wallensteinin astrologi. Keplerin Wallensteinille laatima horoskooppi

10 Sotki iloisesti teologiaa ja fysiikkaa toisiinsa. Suurin osa kirjoituksista arvotonta roskaa. Etsi luonnosta harmoniaa ja tasapainoa. Totesi, että jos pallon sisään latoo sisäkkäin Platonin täydellisiä monitahokkaita sopivassa järjestyksessä, voi ennustaa planeettojen ratojen säteet oikein 5 %:n tarkkuudella Jupiter pois luettuna. Keplerin mukaan aurinkokunnan toiminta on selitettävä fysiikan avulla: liikkeiden aiheuttajana on yksi yksinkertainen voima. Hän oli innostunut William Gilbertin magnetismin teoriasta ja uskoi voimalla olevan yhteys magnetismiin. Sfäärien harmonia

11 Kepler esitti kolme planeettojen liikkeitä koskevaa lakia: Planeettojen kiertoradat ovat ellipsejä, joiden toisessa polttopisteessä on Aurinko Planeetasta Aurinkoon piirretty jana pyyhkii yhtä pitkinä aikaväleinä aina yhtä suuren pinnan yli Planeettojen kiertoaikojen neliöt suhtautuvat toisiinsa kuin niiden Auringosta mitatun etäisyyden kuutiot. Kepler löysi nämä lait mittaustuloksia tarkastelemalla. Hän ei keksinyt teoriaa, josta ne olisi voitu johtaa. Oli kovin pettynyt. Havaitsi vuonna 1604 supernovan (Keplerin supernova). (Seuraava paljain silmin näkynyt supernova oli 1987!) Remnants of Kepler s supernova.

12 Galileo Galilei Syntyi Pisassa, isä muusikko ja musiikin tutkija. Nuoruus Firentzessä. 17 vuotiaana opiskelemaan lääketiedettä Pisaan. Palasi 4 vuoden kuluttua takaisin Firentzeen ja alkoi opiskella matematiikkaa matematiikan opettajaksi Pisan yliopistoon professoriksi Padovaan Medicien hoviin Firentzeen matematiikoksi ja tähtitieteilijäksi joutui inkvisiition eteen harhaoppisuudesta ja tuomittiin kotiarestiin kuoli kesäasunnossaan Firentzen lähellä.

13 Galilein tärkeimmät kirjoitukset Siderius nuntius (Tähtien sanansaattaja) 1610 Oli rakentanut kaukoputken ja teki havaintoja Kuun vuorista, ennen näkymättömistä tähdistä, Jupiterin kuista ( Medicien tähdet ). Näki Venuksen vaiheet eli että Venus kiertää Aurinkoa. Sensaatio, teki hänestä kuuluisan koko Euroopassa. Sai paljon oppilaita.

14 Kirje suurherttuatar Christinalle 1636 Oli käynyt Roomassa puhumassa uudesta kosmologiasta eli Kopernikuksen aurinkokeskisestä mallista Kiellettiin puhumasta mallista julkisesti. Mallia ei kuitenkaan julistettu harhaopiksi. Kirjoittaa suurherttua Cosimo de Medicin äidille Christinalle oman mielipiteensä tieteen ja uskonnon suhteesta: Kopernikuksen malliin suhtauduttava tosiasiana, Raamattu ei tue maakeskistä mallia. Kirje tuli katolisen kirkon tietoon, tiesi vaikeuksia myöhemmin. Galilein oikeudenkäynti. Eppur si muove! (Se liikkuu sittenkin.)

15 Dialogi kahdesta suuresta maailmanjärjestelmästä (Dialogo) 1632 Simplicio (Aristoteleen ja Ptolemaioksen kannattaja), Sagredo (tiedonjanoinen nuorimies) ja Salviato (Kopernikuksen kannattaja = Galileo) keskustelevat aurinko- ja maakeskisistä malleista. Vaikutti vahvasti aurinkokeskisen maailmankuvan voittoon. Kirja läpäisi kirkon sensuurin. Vastaanotto ylitsepursuavan innostunut. Paavi Urbanus VIII (Maffeo Barberini, Galilein ent ystävä) otti viiveellä jyrkän kielteisen kannan. Vaati Galileon tuomitsemista. Näytösoikeudenkäynti. Oppi kiellettiin. Tieteen keskus siirtyi pois Italiasta Keski- Eurooppaan ja Englantiin. Katolinen kirkko esitti myöhemmin (1992!) pahoittelunsa Galilein huonosta kohtelusta.

16 Kaksi uutta tiedettä 1638 Fysiikan historian kannalta Galilein tärkein työ. Samat päähenkilöt kuin edellä. Kappaleiden putoaminen tyhjiössä, kiihtyvyys ei riipu kappaleen massasta. (Venetsialainen Giambattista Benedetti esitti saman jo1553!). Voimien riippumattomuus. Heittoparabeli. Sovelsi N. Oresmen kaavaa. Ymmärsi inertiaalisen liikkeen. Tasiasesti kiihtyvän liikkeen matemaattinen malli. Perustui kokeisiin kaltevalla tasolla. Liikkeen suhteellisuus. Tämä kirja teki Galileista nykyaikaisen fysiikan isän. Galilein lämpömittari. Mihin toiminta perustuu?

17

18 Galilei esitti liikkeen jatkavuuden lain selkeässä ja eksaktissa muodossa: Vaakasuoralla alustalla liike on tasaista, koska kappale ei koe kiihtyvyyttä eikä hidastuvuutta Kappaleelle annettu nopeus säilyy muuttumattomana niin kauan kuin kappaleeseen ei vaikuta ulkopuolinen kiihdyttävä tai hidastava syy; tämä tilanne on mahdollinen vain vaakasuoralla alustalla Tällöin kappale jatkaa liikettään tasaisesti äärettömyyteen asti. Galilein suuri saavutus oli nähdä liikkeen oleellinen luonne kitka- ja vastusvoimien aiheuttamien monimutkaistuksien takaa. Tähän eivät Aristoteles ja hänen seuraajansa pystyneet. Galilei huomasi Pisan katedraalin kynttelikön heilahdusajan olevan riippumaton heilahtelun amplitudista. Esitti asian muodossa: 2 T = T l.

19 Tutkiessaan putoamisliikettä, Galilei keksi käsitteen hetkellinen nopeus. Sitä tarvitaan, kun kappaleen nopeus muuttuu koko ajan. Hän päätteli, että tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä nopeuden lisäys on suhteessa kuluneeseen aikaan. Osoitti tämän kaltevan tason (radan) avulla. Galilei kuvaili tekemänsä kokeet niin yksityiskohtaisesti, että kuka tahansa saattoi toistaa ne ja tarkastaa saadut tulokset. (Jos yrittää, huomaa, että Galilei vahvasti yliarvioi mittauksiensa tarkkuuden!) Galilei esitti tuloksensa suhteiden avulla, mutta oleellisesti hän johti havainnoistaan lain 1 s = at 2 2 Tärkeä uusi tutkimusmetodi: Luonnossa havaittavaa ilmiötä tutkitaan laboratoriossa yksinkertaistettuna, siten että siitä karsitaan pois epäoleelliset tekijät.

20 Rekonstruktio Galilein kaltevasta tasosta t 2 Galilein tarkastelu heittoliikkeelle. Kolme tärkeää klassisen mekaniikan periaatetta yhdistyvät: vapaa putoamisliike, vaakasuoran ja pystysuoran liikkeen riippumattomuus toisistaan ja inertia. A page from Galileo's notes showing the paths of objects that fall freely after having rolled down an inclined plane

21 be = 3 bc bl = 9 bo Vaakasuunnassa liike on inertiaalista. Galilei keksi liikkeen suhteellisuuden. Hän esitti sen kirjassaan kahdesta maailmanjärjestelmästä yrittäessään perustella, miksi Maan liike ei aiheuta outoja ilmiöitä Maan pinnalla (vrt. ylös ammuttu nuoli jne). Käytti tätä esimerkkiä: Laivan mastosta pudotettu raha osuu maston juurelle riippumatta siitä, onko laiva paikallaan vai liikkuuko sen tasaisella nopeudella.

22 Galilein merkitys Poisti metafysiikan fysiikasta. Kokeellisuus nosti hänet toiselle tasolle: kyse ei ollut hänen mielipiteistään vaan hän antoi luonnon puhua. Ei etsinyt luonnon perimmäistä rakennetta tai tarkoitusta vaan luonnon toiminnan lakeja. Etsi tapoja saada luonto paljastamaan itsensä. Antoi uskoa siihen, että ihminen voi saada selville ja käsittää luonnon toimintaperiaatteet. Rakensi mittaus- ja havaintolaitteita. Teki perusteellisia kokeita. Ymmärsi matematiikan fysiikan kieleksi. Puki mekaniikkaa matemaattiseen muotoon. (s~t 2 ) Luonnontieteellinen tutkimusmenetelmä: Tehdään havaintoja luonnosta. Tehdään matemaattinen hypoteesi havaintotulosten selittämiseksi. Etsitään luonnosta hypoteesia tukevia uusia havaintotuloksia. Mikäli havainnot ovat sopusoinnussa hypoteesin kanssa, hypoteesista tulee laki. Teki Kuusta ja planeetoista tavallisia fysiikan objekteja. Oli ensimmäinen tieteen kansantajuistaja. Kirjoitti paljon kansankielellä.

23 Mielenkiintoisia kirjoja Galileista