Fysiikan historia Kevät 2011 Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto
Fysiikan historia Luento 1 Rafael: Ateenan koulu
Antiikin ajan fysiikka Aika ennen Sokratesta Luonnonfilosofit hylkäsivät jumalat luonnonilmiöiden (maanjäristykset, ukkonen jne.) syinä. Korvasivat ne luonnollisilla syillä. Huipentuma oli atomismi: loogisen päättelyn tuloksena päädyttiin siihen, että ainetta ei voi jakaa loputtomasti. Sitä edelsi monia pohdintoja aineen ja kosmoksen rakenteesta ja synnystä. Thales (n.610-547 eaa) Ensimmäinen, joka mietti aineen mikrorakennetta. Tunsi staattisen sähkön vaikutuksen (meripihkan hankaaminen). 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.
Anaksimandros (609-546 eaa) Thalesin oppilas Maailmankaikkeus syntyi alkukaaoksesta tai alkumassasta apeironista, jossa vastakohtaisuudet (kuiva-märkä, kylmäkuuma,...) 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: http://www.iep.utm.edu/a/anaximan.htm Rafael: Ateenan koulu
Anaksimenes (585-525 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 milestolaisen koulukunnan. Vähä-Aasian rannikko oli vaurasta seutua. Miksi?
Herakleitos (535-475 eaa) Ensimmäinen kokonainen filosofinen järjestelmä Uskoi sattuman voimaan ("Aika on lapsi joka siirtää pelimerkkejä; kuninkaallinen voima on lapsen". ) Vastakohtaisuudet oleellisia. "Vastakohta tuo sopusointua. Epäsovusta tulee puhtain harmonia". Dialektiikkaa. Piti maailmaa ikuisena, sen osat vain muuttuvat toisikseen. Eräänlainen aineen säilymislaki. Muutoksen symbolina käytti tulta. Panta rhei kai ouden menei. "Kaikki virtaa, mikään ei pysy paikallaan." Hendrick ter Brugghen, Herakleitos
Thalesia, Anaksimadrosta ja Ankasimenestä kutsutaan monisteiksi: he pyrkivät selittämään kaiken yhden peruselementin tai aineksen avulla. Tämä perusaines on pysyvää ja muuttumatonta, ilmiöt johtuvat muutoksesta. Parmenides (s. 510 eaa.) oppilaansa Zenonin (n. 490-420 eaa) kanssa haastoi heidän ajatuksensa. 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, Akhilleus ja kilpikonna, lentävä nuoli.) Parmenides Rafaelin maalauksessa Ateenan koulu.
Parmenideksin ja Zenonin kritiikin takia monismi korvattiin pluralismilla. Luonnon ajateltiin rakentuvan useista peruselementeistä. Empedokles (490-430 eaa) Kaikki aine koostuu neljästä elementistä (juuresta): tuli,vesi, maa, ilma Elementit eivät muutu toisikseen Kaksi perusvoimaa: rakkaus ja riita. Liittävät elementtejä yhteen ja erottavat niitä toisistaan. Neljän elementin teoria säilyi renesanssiin (1300-1500 jaa) asti. Henkilönä jossain määrin ylimielinen. Hyppäsi Etnan kraateriin todistaakseen jumalallisuutensa ja kuolemattomuutensa (tarina). Empedoklesin kirjoitusta
Anaksagoras (500-488 eaa) Anaksimenesin oppilas. Kuten Empedokles, uskoi että elementit voivat liittyä yhteen ja myös erota toisistaan. Uskoi, että jokainen aine koostuu omanlaisistaan hiukkasista, ytimistä. Jokainen hiukkanen sisältää tiettyinä osuuksina kaikkia muita hiukkasia. Kun syöt lihahiukkasia, syöt samalla myös luuhiukkasia ja verihiukkasia jne. Kosmologinen malli, jossa luominen tapahtui alkumassasta ja luojana oli Järki. Kappaleet olivat alkumassassa olemassa jonkinlaisina hiukkasmaisina miniatyyreinä. Korosti kehityksen kaaoksesta järjestykseen tapahtuneen mekaanisesti, jonkinlaisen pyörimisen seurauksena. Toi filosofoinnin helleenisen maailman reunaalueilta Ateenaan, jonne muutti ja asui 30 vuotta. Hänen mukaansa aisteihin ei pidä luottaa, totuus löytyy päättelemällä.
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. Jäänyt oppilaansa Demokritoksen varjoon; D. jalosti ja systematisoi Leukippoksen ajatuksia. Demokritos (n. 460-370 eaa ) Merkittävin antiikinajan filosofeista, 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
Leukippoksen ja Demokritoksen atomioppia veivät eteenpäin Epikuros ( 341-270 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 filosofia sai yliotteen. Keskiajalla fysiikka kehittyi kirkon hallitsemassa Euroopassa vain vähän. Viestiä antiikista keskiiajalle veivät paljolti islamilaisen maailman tiedemiehet. Kreikkalaisten ja arabialaisten kirjoitusten kääntäminen latinaksi 1100-luvulta lähtien elvyttivät tutkimusta Euroopassa.
Aristoteles (384-322 eaa) Atomistit oli ns. esisokratelaisia filosofeja. Sokrates (n. 469-399 eaa.) aloitti uuden kauden, jossa siirryttiin luonnonfilosofiasta moraalin ja politiikan aiheisiin. Filosofian isä. Platon (427 347 eaa.) oli Sokrateen merkittävin oppilas, dokumentoi Sokrateen opit. Aristoteles oli Platonin oppilas. Kotoisin Makedoniasta.Luonnonfilosofi ja empiristi.
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 filosofiaa vastaan. Aristoteles ja Aleksanteri Suuri
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
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.
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).
Aristoteleen liikekäsitykseen perustuva kuva tykinkuulan lentoradasta. Kaareva radan osa on ympyrän kehää.
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. - 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.
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 1500- luvulle saakka.
Ptolemaioksen malli Deferentti Episykli
Hellenistinen maailma