Fysikaalinen maailmankuva 2015 Luento 7/MW + muut Sisältö: - Aksiomaattinen lähestymistapa? - Fysiikan suhteesta muihin tieteenaloihin - Suureet ja yksikköjärjestelmät SI-järjestelmä Muut Planckin yksiköt Dr Quantum video: https://www.youtube.com/watch?v=fwxqjrblwsq 1
Aksiomaattinen fysiikka? Kreikkalainen lähestymistapa - Perusprinsiipit (aksioomat) è kaikki muu, kuten matematiikassa - Tutkimuksessa lähdetään liikkeelle aksioomista - è esim. Eukleideen aksioomat, GUTit Babylonialainen lähestymistapa - Suuri joukko havaintoja ja teorioita è yleistykset, johdokset, päätelmät - Parempi fysiikassa, aksioomat vaikeasti valittavissa (voiko niitä ollakaan?) - Havainnosta ja sen laista yleisempiin lakeihin (esim. Kepler/Newton èpyörimismäärän säilyminen) Fysiikan suhde muihin tieteenaloihin Mikään muu luontoa tutkiva tieteenala ei pureudu yhtä syvällisesti tutkimuskohteeseensa kuin fysiikka. Syvällisin tieto aineen perimmäisestä rakenteesta ja vuorovaikutuksista tulee fysiikasta. Kaikki tavanomainen aine koostuu atomeista ja niistä rakentuneista molekyyleistä. Kemian ilmiömaailma nousee kokonaan atomeista, molekyyleistä ja niiden välisistä kemiallisista reaktioista (=> sidosenergia). Syvällistä tietämystä esim. ytimen rakenteesta, hiukkasfysiikasta tai muista voimista ei juuri tarvita. Kemian teoreettinen tietämys tulee kvanttimekaniikasta, fysiikan teoriasta. 2
Fysiikan suhde muihin tieteenaloihin Myös kemiassa tutkitaan atomin rakennetta, mutta siellä rajoitutaan elektroniverhon ilmiöihin, koska elektroniverho määrää atomien ja molekyylien ne ominaisuudet, joilla on kemiassa merkitystä (ja useimmiten vesi- tai muussa liuoksessa). Fysiikan ja kemian raja onkin hyvin häilyvä ja atomeja sekä molekyylejä tutkivia aloja kutsutaan esim. atomija molekyylifysiikaksi, teoreettiseksi kemiaksi, kvanttikemiaksi, kemialliseksi fysiikaksi, fysikaaliseksi kemiaksi, jne. Itse tutkimuskohde (atomit ja molekyylit) kuvaa tätä osa-aluetta paremmin kuin varsin keinotekoiset jaottelut fysiikkaan tai kemiaan. Fysiikan suhde muihin tieteenaloihin Fysiikka ei rajoitu pelkästään elektroniverhon tutkimukseen vaan haluaa selvittää atomin koko rakenteen ydintä myöten. Lisäksi fysiikassa tutkitaan ilmiöitä, jotka eivät ollenkaan kuulu kemian piiriin (esim. mekaniikka) tai liittyvät siihen vain osittain (esim. sähkö-magnetismi). Koska kemian teoreettinen tietopohja tulee fysiikasta, kemia perustuu periaatteessa fysiikkaan, vaikkakin monet kemian ilmiöt ovat liian monimutkaisia johtaa (redusoida) suoraviivaisesti fysiikan laeista. Kuitenkin uskotaan, että se olisi periaatteessa mahdollista. 3
Fysiikan suhde muihin tieteenaloihin Biokemia on kemian soveltamista biologisiin ilmiöihin. Siinä pyritään selittämään kemian avulla mitä biologisissa organismeissa tapahtuu. Jos biokemia perustuu kemian tietämykseen ja kemia itse (periaatteessa) fysiikkaan, niin biokemiakin palautunee loppujen lopuksi fysiikkaan. Samoin periaatteessa muut sovellukset, biologia, lääketiede, jne. Tämä ei tarkoita, että kaikki näiden alojen ilmiöt pystyttäisiin käytännössä selittämään fysiikan avulla. Fysiikka ei (ainakaan nykyisellään) selitä elämää eli miksi jotkin ainemöykyt ovat eläviä, mutta toiset eivät. Fysiikka ei myöskään selitä tietoisuutta eli miten toiset ainemöykyt (aivot) voivat tuottaa tietoisuuden, mutta toiset (esim. kivi) eivät. Atomit sinänsä, joista kaikki rakentuu, eivät ole eläviä eivätkä tietoisia. Fysiikan luonne tieteenä Fysiikassa on löydetty joitakin muita osioita perustavampia teorioita, jotka vaikuttavat olennaisesti maailmankuvaan ja fysiikkaan eri osa-alueilla Kun maailmaa tarkastellaan pienessä mittakaavassa (atomitaso ja sitä pienemmät objektit), perinteisen tarkastelun (ns. klassinen mekaniikka) korvaa kvanttimekaniikka. Suurissa nopeuksissa (jotka lähentelevät valonnopeutta) klassisen mekaniikan korvaa suppea suhteellisuusteoria (çeinstein). Suuressa mittakaavassa ( isoissa kappaleissa joissa gravitaatio on suuri) klassinen painovoima teoria (ç Newton) korvautuu yleisellä suhteellisuusteorialla (çeinstein). 4
Fysiikan eri osa-alueet Fysiikkaa voidaan yrittää jaotella tutkimusaiheen mukaan: atomi- ja molekyylifysiikka, Kiinteän aineen fysiikka Ydinfysiikka, Hiukkasfysiikka Astrofysiikka, Kosmologia, Biofysiikka, lääketieteellinen fysiikka, JNE Tämä kertoo samalla mitä rakenteita maailmassa on havaittu tähän mennessä ja mitkä asiat koetaan nykyisin tutkimisen arvoisiksi. Tieteiden hierarkia riittääkö alkeishiukkasfysiikka? Tarvitaanko muuta fysiikkaa lainkaan? o ei mahdollista ennustaa ja ymmärtää ab initio kompleksisten systeemien käyttäytymistä o à reduktionismi (äärimmilleen vietynä) ei käytännöllinen vaihtoehto 5
Esim. 100 v sitten fysiikka ei selittänyt auringon energiantuotantoa, energian olisi pitänyt riittää vain n. 100 miljoonaksi vuodeksi silloin tunnettujen mekanismien perusteella geologia ja paleontologia: aurinko oli kuitenkin paistanut ainakin 10 kertaa kauemmin! àfyysikoilla ei syytä luopua nöyryydestä muiden tieteenalojen kysymyksenasetteluiden suhteen àempiiristä ja teoreettista fysiikan (+kemian, biologian, geologian, ) tutkimusta tarvitaan kaikissa mittakaavoissa, koska eri hierarkian tasoilla tapahtuvia ilmiöitä ei riittävän hyvin ymmärretä àkompleksiset järjestelmät, emergenssi Suureet ja yksikköjärjestelmät suureet = mitattavat, täsmällisesti ilmaistavissa olevat muuttujien arvot yksikköjärjestelmä = yhteisesti sovittu mittaasteikko suureiden esittämiseksi, valintakysymys! suure ilmoitetaan mittaluvun ja yksikön avulla, esim. m = 5,0 kg SI (Système International) on yleisesti hyväksytty yksikköjärjestelmä HUOM! kts. Arkhimedes 2/2012 7 perusyksikköä 6
johdannaisyksiköt perusyksiköistä, esim. pintaalan yksikkö neliömetri (m 2 ) tai energian yksikkö Joule (J = kg m 2 /s 2 ) 7
on myös muita yksikköjärjestelmiä, kuten nk. cgs-järjestelmä valitettavasti käytössä vieläkin varsinkin sähkömagnetisminkäsittelyssä à Coulombin vuorovaikutuksen kaavassa SI-kaavasta poikkeava etutekijä erikoisaloilla omia tarkoituksenmukaisia yksikköjärjestelmiä esim. atomi-, molekyyli- ja kiinteän aineen fysiikan teoreetikoiden ja mallintajien atomiyksiköt: o pituuden yksikkö Bohrin atomimallin vetyatomin perustilan ratasäde 1 a.u. = 0,53 x 10-10 m o sähkövarauksen yksikkö alkeisvaraus 1 a.u. = 1,60 x 10-19 C o energian yksikkö 2 vetyatomin perustilan sidosenergia 1 a.u. = 4,36 x 10-18 J o pyritään lakien esittämiseen mahdollisimman yksinkertaisessa muodossa à helpommat formaalit manipulaatiot, esim. yhtälöiden johtaminen 8
joskus erityiset yksikkövalinnat perusteltuja tutkittavien suureiden suuruusluokan takia tavaton suuruus/pienuus vrt. SI-järjestelmän perusyksiköt? tällöinkin voidaan useimmiten hyvin käyttää SI-yksiköitä ja kymmenen potensseja ilmaisevia etuliitteitä, esim. attojoule = 1 aj = 10-18 J lopullisten tulosten ilmoittamisessa tulisi käyttää SI-yksiköitä, jotta työn tulokset ymmärrettäisiin oman erikoisalan ulkopuolellakin Planckin yksiköt Yksikköjärjestelmä on sopimuskysymys (vrt. esim. SI-yksiköt vastaan cgs-yksiköt) Luonnonvakioilla kummalliset arvot, joita ei voida yleisesti johtaa mistään (ne ovat ns. empiirisiä vakioita) Voidaanko laatia selkeämpi järjestelmä? absoluuttisempi järjestelmä? Max Planck esitti v. 1899 luonnonvakioihin perustuvaa järjestelmää, jossa c, G, h, (Coulombin vakio) ja k B (Bolzmannin vakio) saavat arvon 1. 9
Mitä nämä luonnon perusvakiot ovat? Planckin perusyksiköt Base Planck units Name Dimension Expressions SI equivalent with uncertainties [1] Other equivalent Planck length Length (L) 1.616 252(81) 10 35 m Planck mass Mass (M) 2.176 44(11) 10 8 kg 1.220 862(61) 10 19 GeV/c 2 Planck time Time (T) 5.391 24(27) 10 44 s Planck charge Electric charge (Q) 1.875 545 870(47) 10 18 C 11.706 237 6398(40) e Planck temperature Temperature (Θ) 1.416 785(71) 10 32 K 10
Planckin yksikköjen merkitys? yksinkertaistukset teoreettisessa fysiikassa (tekninen merkitys) eivät sovi arkipäivän fysiikkaan (mittakaavat) merkitys maailmankuvalle: absoluuttisia rajoja suureille, merkillisiä yhtymäkohtia ja pohdittavaa Outoja: 1 Planckin massa = 22 mikrogrammaa 1 Planckin liikemääräyksikkö = 6,5 kgm/s 1 yksikkö Planckin energiaa = 500 kwh (= 1,8 * 10 9 J) 1 Planckin varaus = vähän yli 11 alkeisvarausta (e) 1 yksikkö Planckin impedanssia (resistanssia) = n.30 W 11