Fysiikka on eksakti (eli tarkka ) tiede, koska se käyttää tulostensa esittämiseen matematiikkaa. Vain matemaattinen esitys on kyllin selkeää ja

Mitä fysiikka on? Fysiikka on luonnontiede, joka tutkii maailmaa sen kaikilla tasoilla, atomeista ja hiukkasista tähtiin ja koko maailmankaikkeuteen. Fysiikan tarkoituksena on ymmärtää maailmaa. Luonnontieteenä se tutkii ilmiöitä ja rakenteita joita luonnossa esiintyy tai joita voidaan keinotekoisesti tuottaa. (Matematiikka esimerkiksi tutkii kaikkia mahdollisia teoreettisia rakenteita riippumatta siitä esiintyykö näitä luonnossa vai ei.) Fysiikan erottaa matematiikasta sen kokeellinen luonne. Teoreettiset ennusteet täytyy voida kokeellisesti testata, jotta nähdään onko kyse aidosta luonnonilmiöstä vai ainoastaan mielikuvituksen tuotteesta. 1

Fysiikka on eksakti (eli tarkka ) tiede, koska se käyttää tulostensa esittämiseen matematiikkaa. Vain matemaattinen esitys on kyllin selkeää ja yksikäsitteistä, jotta fysiikan lait voidaan esittää riittävällä tarkkuudella ja niistä voidaan laskea ennusteita, joiden paikkansapitävyyttä voidaan testata kokeellisesti. (Tämä kertoo samalla, että fysiikassa on havaittu välttämättömäksi pyrkiä mahdollisimman suureen tarkkuuteen.) Fysiikkaa voidaan yrittää jaotella tutkimusaiheen mukaan, kuten esimerkiksi atomi- ja molekyylifysiikka, kiinteän aineen fysiikka, ydinfysiikka, hiukkasfysiikka, astrofysiikka, kosmologia, jne. (Tämä kertoo samalla mitä rakenteita maailmassa on havaittu tähän mennessä ja mitkä asiat koetaan nykyisin tutkimisen arvoisiksi.) Mitä tarkemmin fysiikkaa yrittää määritellä, sitä enemmän on tiedettävä itse fysiikasta. Loppujen lopuksi kunkin tieteenalan määrittelee tarkasti vain sen nykytila. Kurssin tavoitteena onkin antaa yleiskuva siitä, mitä fysiikasta nykyisin tiedetään. 2

Lukiofysiikan ja yliopistofysiikan erot Lukiossa opiskeltavat fysiikan kurssit käsittelevät mm. lämpöä, liikettä, aaltoja, gravitaatiota, sähköä ja magnetismia, ainetta ja säteilyä. Lähes kaikki näistä perustuvat fysiikkaan, joka tunnettiin 1800-luvun lopulle tultaessa. Fysiikasta ennen 1900-lukua käytetään nimitystä klassinen fysiikka, erotuksena modernista fysiikasta, jolla tarkoitetaan fysiikkaa noin vuodesta 1900 eteenpäin. Varsinaisesti moderni fysiikka tarkoittaa sitä fysiikkaa, joka nojaa suhteellisuusteoriaan (suppea 1905 ja yleinen 1916) ja kvanttimekaniikkaan (1925), mutta näihin teorioihin johtanut kehityskulku sai alkunsa sopivasti 1900-luvun taitteessa. Monet ihmisen kokoluokassa havaittavat ilmiöt noudattavat klassisen fysiikan lakeja, esim. kaikki tavanomainen liike. Klassisella fysiikalla on kuitenkin rajansa, jotka tulevat vastaan pienessä mittakaavassa, suuressa mittakaavassa ja suurissa nopeuksissa. 3

Pienessä mittakaavassa (atomitaso ja sitä pienemmät objektit) klassisen mekaniikan korvaa kvanttimekaniikka. Suuressa mittakaavassa ( isoissa kappaleissa joissa gravitaatio on suuri) klassinen painovoima korvautuu yleisellä suhteellisuusteorialla. Suurissa nopeuksissa (jotka lähentelevät valonnopeutta) klassisen mekaniikan korvaa suppea suhteellisuusteoria. On arvioitu, että yli 99% nykyisin tunnetusta fysiikasta on kehitetty 1900- luvun alun jälkeen eli nojaa moderniin fysiikkaan. Yliopistotasolla opiskellaan sekä klassista että modernia fysiikkaa. Voidaan melkeinpä väittää, että siirtymä lukiosta yliopistoon on kuin siirtymä klassisesta fysiikasta moderniin fysiikkaan. (Aiemmin tunnetun rinnalle otetaan käyttöön uusia teorioita, joilla ymmärretään maailmaa entistä paremmin. Myös vanhat teoriat ovat vielä voimassa omilla pätevyysalueillaan.) 4

Fysiikan historiaa Antiikin aika ( 600-200 ekr.) Fysiikan historian voidaan katsoa alkaneen jo antiikin kreikkalaisten filosofien (Aristoteles, Demokritos, ) maailmaa koskevista pohdinnoista. Tuon ajan fysiikka oli lähinnä teoreettis-filosofista pohdiskelua, ilman kokeellisia havaintoja tai matematiikan hyödyntämistä. On kuvaavaa, että tuona aikana ei juurikaan keksitty perustavaa laatua olevia fysiikan lakeja, jotka olisivat vieläkin voimassa. (Tämä on hyvä osoitus siitä, että pelkästään ajattelun voima ei riitä vaan on käytettävä kokeita selvittämään ollaanko oikeilla jäljillä.) Eräs vastaesimerkki on Arkhimedeen laki (kappaleeseen vaikuttavasta nosteesta esim. vedessä), joka on vieläkin voimassa. On huomattava kuitenkin, että Arkhimedes pohjasi tutkimuksensa kokeisiin. Ideoita tuolta ajalta: jakamattoman perushiukkasen idea ( atomos =jakamaton), alkuaineiden idea (tuli, vesi, maa, ilma), 5

Tieteellinen vallankumous ( 1600-1700) Kokeisiin perustuvan fysiikan voidaan katsoa alkaneen 1600-luvun alussa Galileo Galilein (1564-1642) tutkimuksista. Hän tutki mm. liikkeen lakeja vierittämällä palloja kaltevalla tasolla ja myös ilmaisi tuloksensa matemaattisella tarkkuudella. Hänen kehittämänsä kokeellis-teoreettinen menetelmä on vieläkin fysiikan (ja tieteen) perusta ja sitä kutsutaan tieteelliseksi menetelmäksi. Galileo Galilei. Lähde: Wikipedia. Kokeellisen menetelmän kehittäminen on ollut todennäköisesti tärkein tapahtuma fysiikan historiassa. Ennen sitä fysiikka ei kehittynyt merkittävästi. Sen jälkeen kehitys nopeutui niin paljon, että tätä kutsutaan tieteelliseksi vallankumoukseksi. 6

Tieteellisen vallankumouksen merkittäviä tapahtumia oli aristoteelisen liikeopin hylkääminen (siihenastinen auktoriteetti) ja korvaaminen kokeilla vahvistetuilla mekaniikan laeilla. Näitä lakeja (3 kpl) sanotaan Newtonin laeiksi Isaac Newtonin (1642-1727) mukaan. Aristoteelisen käsityksen mukaan liikkeen jatkuminen/ylläpitäminen vaatii voimia. Newtonin 1. lain mukaan liike ei tarvitse voimia jatkaakseen. Kappale jatkaa liikettään vakionopeudella mikäli siihen ei vaikuta voimia. Tämä on syvällinen oivallus, koska arkikokemuksesta voisi kuvitella, että kappaleet pysähtyvät jos niitä ei pidetä aktiivisesti liikkeessä. Maan pinnalla on kuitenkin koko ajan vaikuttamassa mm. Maan vetovoima ja erilaisia kitkavoimia, jotka pysäyttävät kappaleet ennen pitkää. Jos niiden vaikutus poistetaan, kappale jatkaa (ikuisesti) liikettään. Hyvä ajatuskoe tällaisen tilanteen kuvittelemiseen on (tähtienvälinen) avaruus, jossa ei esiinny kitkavoimia eikä gravitaatiota, jos ollaan kyllin kaukana taivaankappaleista. Toki myös Maan pinnalla saadaan aikaan (lähes) kitkattomia tilanteita. Newtonin lait ovat nykyäänkin voimassa (omalla pätevyysalueellaan). Ne ovat erittäin hyviä approksimaatioita (likiarvoja) syvällisemmistä laeista ja ovat klassisen mekaniikan perusta. 7

Newton kehitti lisäksi Newtonin gravitaatiolaiksi kutsutun painovoiman teorian, joka selitti (mekaniikkaan yhdistettynä) silloin tunnettujen taivaankappaleiden liikkeet ja painovoimaan liittyvät ilmiöt. Se on vieläkin voimassa ja käyttökelpoinen (omalla pätevyysalueellaan), mutta tarkempikin teoria (yleinen suhteellisuusteoria) on nykyisin olemassa. 8

Tieteellisen vallankumouksen jälkeinen aika ( 1700-1895) Uudella kokeellis-teoreettisella menetelmällä tutkittiin ja löydettiin paljon uusia luonnonilmiöitä ja aikanaan muotoillut lait ovat nykyisinkin voimassa ja käyttökelpoisia (pätevyysalueillaan). Saavutuksia ja teorioita: Sähkön ja magnetismin tutkimus (sähkömagnetismi), lämmön tutkimukset (termodynamiikka), valon tutkimukset (optiikka), Näillä teorioilla (yhdessä mekaniikan kanssa) hallittiin makroskooppiset ilmiöt (eli ilmiöt ihmisen kokoluokassa). Fysiikan kehitys yhdessä tekniikan kanssa tuotti uusia keksintöjä, esim. polttomoottorin (ja sillä kulkevat autot), sähkön hyötykäytön, lennättimen, radiolähetykset, ja nopeutti teollistumista huomattavasti. (Nämä ovat teknisiä sovelluksia, mutta antavat mielikuvaa tuon ajan maailmasta ja siitä mihin tuon ajan tietämys riitti.) Kaikkea 1800-luvun loppuun mennessä kehitettyä fysiikkaa sanotaan klassiseksi fysiikaksi. Klassisen fysiikan maailmankuvaa sanotaan usein mekanistiseksi ja deterministiseksi: kaikkien kappaleiden liikkeet uskottiin voitavan johtaa Newtonin laeista ja kaikki voimat joko sähkömagnetismista tai Newtonin gravitaatioteoriasta. Kaiken uskottiin olevan selitettävissä ja ennustettavissa ja vain mittausten tarkkuuden uskottiin rajoittavan tätä. 9

Oli luonnollista olettaa näin, koska tuolloin ei ollut syytä uskoa muuta. Kaikki näytti olevan yksinkertaista, mekaanista. Myös moni tiedemies uskoi fysiikan olevan jatkossa vain tarkentuvia mittauksia ja tunnettujen teorioiden soveltamista uusiin tilanteisiin. 10

Modernin fysiikan kausi (1900 ) Lähes rajaton luottamus senhetkisen fysiikan kaikkivoipaisuudesta osoittautui kuitenkin ennenaikaiseksi. 1800-luvun viimeisinä vuosina ja 1900-luvun alussa klassinen fysiikka joutui vaikeuksiin. Löydettiin monia uusia ilmiöitä, joita ei pystytty selittämään tai ymmärtämään klassisten teorioiden avulla. Uusia löytöjä tai selittämättömiä asioita olivat mm. röntgensäteet (1895), radioaktiivisuus (1896), mustan kappaleen säteilyn teoreettinen selitys, valosähköisen ilmiön ymmärrys, Comptonin ilmiö, atomin rakenteen selitys, atomien spektrit, Klassinen fysiikka oli selvästi kriisissä ja kävi selväksi, että tarvittiin uusia ideoita ja teorioita. 11

Modernin fysiikan perusteoriat tulivat kolmessa osassa. Einstein julkaisi suppeamman suhteellisuusteorian 1905 ja yleisen suhteellisuusteorian 1916. Kvanttimekaniikka kehitettiin 1925-1926 useiden riippumattomien henkilöiden toimesta (Heisenberg, Schrödinger, ). Itse asiassa Einsteinin suppea suhteellisuusteoria 1905 ei vastannut edellä mainittuihin klassisen fysiikan kohtaamiin ongelmiin vaan tuli odottamatta ja yllätyksenä. Einstein oli tuolloin suhteellisen tuntematon (fysiikkaa opiskellut) patenttiviraston työntekijä. Samana vuonna 1905 hän julkaisi myös kaksi muuta tärkeää työtä, joita olivat Brownin liikkeen selitys ja valosähköisen ilmiön selitys. Nämä vastasivat klassisen fysiikan ongelmiin, koska Brownin liike tarjosi kokeellisen todisteen atomien ja molekyylien olemassaolosta ja valosähköisen ilmiön selityksessä klassinen fysiikka epäonnistui. On ehkä yllättävää, että atomien ja molekyylien olemassaoloa ei oltu pystytty kokeellisesti täysin varmistamaan ennen vuotta 1905 ja siksi niiden olemassaolosta oli vielä jonkinlaista kiistaa Osa tiedemiehistä piti niitä vain hyödyllisinä teoreettisina käsitteinä. 12

Myöskään yleinen suhteellisuusteoria ei vastannut klassisen fysiikan ongelmiin, koska se on teoria gravitaatiosta ja gravitaatiolla ei ole merkitystä mikroskooppisessa maailmassa. Lähes kaikki klassisen fysiikan ongelmat liittyivät alaan jota voidaan kutsua atomifysiikaksi. Havaintojen ymmärtämiseksi luotiin 1900-1910-luvuilla puoliklassisia selityksiä, joissa oli sekä klassista fysiikka että joitakin uusia ideoita, mm. energioiden kvantittuminen eli esiintyminen vain tiettyinä annoksina (epäjatkuvana suureena). (Planck v. 1900.) Bohrin atomimalli (1913) oli toinen esimerkki tällaisesta semiklassisesta mallista (diskreetit energiatasot joiden välillä elektronit voivat siirtyä ja lähettää tai vastaanottaa säteilyä). Semiklassiset mallit eivät olleet tyydyttäviä, koska ne eivät selittäneet kaikkia havaintoja (edes niissä ilmiöissä joita varten ne oli kehitetty) eivätkä ennustaneet uusia asioita. Täysin tyydyttävä ja yleinen teoria, joka tarjosi selityksen kaikille edellä mainituille ongelmille (+monille muille) oli kvanttimekaniikka (1925-1926). Se tarjosi yhtenäisen menetelmän, jolla kaikki mikromaailman ilmiöt voitiin käsitellä ja ymmärtää teoreettisesti. 13

Tähän asti on kuvattu fysiikan kehitystä antiikin ajoista modernin fysiikan teorioihin asti. Sen jälkeen kehitys on ollut nopeaa ja nämä uudet teoriat ovat avanneet ovia siihen asti täysin tuntemattomiin maailmoihin. Uusia aluevaltauksia ovat olleet esim. ydin- ja hiukkasfysiikka, kiinteän olomuodon fysiikka, tekninen fysiikka, kosmologia, Jo olemassa olevien alojen kehitys laajeni ja monipuolistui, esim. atomi- ja molekyylifysiikasta avautui uuden tietämyksen avulla täysin uusia ulottuvuuksia, koska atomeita ja molekyylejä pystyttiin nyt käsittelemään ja ymmärtämään teoreettisesti. Kaikkien uusien (ja vanhojen) alojen kehityksen kuvailu olisi pitkällistä, joten voinemme keskittyä fysiikan suuriin linjoihin ja palata joihinkin näistä hieman myöhemmin. Lisälukemista fysiikan kehityksestä 1930-luvulta nykypäivään asti löytyy myös kurssin alussa mainitusta kirjasta: Helge Kragh: Kvanttisukupolvet, 1900-luvun fysiikka. Myös Wikipediasta kannattaa vilkuilla sopivia artikkeleita. 14

Kvanttimekaniikan merkitys Kvanttimekaniikka ( 1925) laajensi erittäin merkittävästi siihen asti tunnetun fysiikan piiriä. Alettiin ymmärtää atomien ja molekyylien sekä kiinteän aineen rakennetta ja toimintaa yksityiskohtaisesti. Periaatteessa pelkkä kvanttimekaniikka ei vielä sisällä suppean suhteellisuusteorian vaatimuksia. Kun nämä otetaan huomioon, päädytään relativistiseen kvanttimekaniikkaan ja lopulta ns. kvanttikenttäteorioihin. Usein puhutaan yleisesti kvanttifysiikasta, jos ei haluta erotella mikä teoria kulloinkin on kyseessä. Näin saadaan entistäkin tarkempia teorioita, jotka selittävät ja ennustavat entistä laajempia ilmiöjoukkoja. Historiallisesti katsoen relativistinen kvanttimekaniikka ja kvanttikenttäteoriat avasivat oven hiukkasfysiikkaan. Kvanttifysiikka on avain kaikkien mikromaailman ilmiöiden kuvailuun ja ymmärrykseen sekä kaikkiin näistä johdettaviin sovelluksiin. Sen merkitys on valtava sekä tieteellisesti että yhteiskunnallisesti. 15

Yleisen suhteellisuusteorian merkitys Yleinen suhteellisuusteoria (1916) on gravitaation teoria (tarkempi kuin Newtonin esittämä gravitaatioteoria). Kvanttifysiikka kuvailee mikromaailman ilmiöitä, kun taas yleinen suhteellisuusteoria kuvailee suuren mittakaavan ilmiöitä. Sen merkitys on avaruuden ilmiöiden ymmärtämisessä. Sen ennusteita ovat mm. mustat aukot ja gravitaatioaallot. Lisäksi maailmankaikkeuden synty eli Big Bang-teoria on yleisen suhteellisuusteorian ennuste. Gravitaatio voimana on merkityksettömän pieni atomaarisessa mittakaavassa ja sen vuoksi yleisellä suhteellisuusteorialla ei ole merkitystä nykyään tunnetuissa mikromaailman ilmiöissä. Sitä ei siis tarvita ymmärtämään niitä. Kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria on pyritty yhdistämään, mutta toistaiseksi tässä ei ole onnistuttu. (Käytännössä haluttaisiin löytää toimiva kvanttimekaaninen teoria gravitaatiolle.) Tämä on yksi teoreettisen hiukkasfysiikan nykyhaasteista. 16

Modernin fysiikan vaikutus maailmankuvaan Yhdessä kvanttifysiikka ja suhteellisuusteoria siis loivat pohjan modernille fysiikalle. Pelkistäen voidaan sanoa, että toinen selittää pienen mittakaavan ilmiöt ja toinen suuren. Niiden väliin jää (mittakaavamielessä) klassinen fysiikka, joka toimii hyvänä approksimaationa ihmisen kokoluokkaa olevissa ilmiöissä. Hieman pelkistäen tämä on nykyfysiikan antama kuva maailmankaikkeudesta tällä hetkellä. Siirtymä klassisesta moderniin fysiikkaan oli suuri ja sitä voidaan aivan hyvin sanoa vallankumoukseksi. Maailmankuva 1800-luvun lopulla erosi huomattavan paljon nykyisestä. Tällöin uskottiin, että kaikelle olisi yksinkertainen mekaaninen selitys ja maailma olisi kuin suuri kellokoneisto, jossa on paljon liikkuvia osia, mutta kaiken voisi periaatteessa tarkasti ennustaa jos tunnettaisiin (mitattaisiin) tarkasti nykyinen tila. Menemättä yksityiskohtiin voidaan todeta, että kvanttimekaniikka on teoria joka sisältää todennäköisyyksiä. Esim. atomitason suureen teoreettinen ennuste on x 40% todennäköisyydellä tai y 60% todennäköisyydellä. Mittauksessa saamme aina jommankumman, mutta emme voi etukäteen ennustaa millään keinolla kumpi tulee. 17

Todennäköisyydet ovat olennainen osa kvanttimekaniikkaa eikä niitä voi sivuuttaa millään keinolla. Kaikissa mikromaailman perimmäisissä prosesseissa on kyse todennäköisyyksistä ja ympärillä näkyvä maailma on jonkinlainen keskiarvo. Yritettäessä selvittää onko todennäköisyyksien takana joitain mekanismeja, jotka voisivat selittää ne, ei olla onnistuttu. Nykytutkimus ei keskity piilotettujen mekanismien selvittämiseen vaan fyysikot hyväksyvät todennäköisyydet osaksi luonnon toimintaa. On siis hyväksytty, että kvanttimekaniikan todennäköisyydet kuvaavat sitä osaa luonnosta josta ei voi saada enempää tietoa. Tätä ei tule sekoittaa ajatukseen, että mitään ei voisi ennustaa. Kvanttimekaniikka ennustaa niiden vaihtoehtojen joukon (ja kullekin todennäköisyyden), jotka voidaan saada tietyssä mittauksessa, mutta ei enempää. Uskotaan, että kaikki mitä voidaan ylipäänsä tietää, sisältyy kvanttimekaniikan ennusteisiin. Todennäköisyyksien esiintyminen vain kertoo, että kaikkea ei voidakaan tietää. Tämä on ristiriidassa klassisen fysiikan (periaatteessa täysin) ennustettavan maailmankuvan kanssa. Nykytiedon mukaan emme siis voi edes periaatteessa ennustaa kaikkea. 18

Maailmankuva muuttui siis tavallaan monimutkaisemmaksi, koska mukaan tuli epävarmuuksia, joita ei voida kiertää mitenkään. Tieteellisen maailmankuvan tarkoitus on kuvailla todellisuutta sellaisena kuin se on eikä sellaisena kuin sen haluaisimme olevan. Voimme siis nähdä, että klassisen fysiikan maailmankuva oli epätäydellinen ja se täydentyi kun saatiin lisää tietoa luonnon toiminnasta. Toinen maailmankuvan muutos liittyy siihen mistä maailman uskotaan perimmiltään rakentuvan. 1800-luvulla esim. atomeista ei ollut vielä niin vakuuttavia suoria kokeellisia todisteita, että niiden olemassaolo olisi lopullisesti todistettu. Osa tiedemiehistä uskoi, että aine on mikrotasolla jatkuvaa (mielikuvana nesteenkaltaista). Kvanttifysiikka muutti lopullisesti kuvan mikroskooppisista rakenteista. Aineen havaittiin ja ymmärrettiin koostuvan atomeista, jotka edelleen yhdistyvät molekyyleiksi tai kiinteiksi aineiksi. Atomin oma sisäinen rakenne paljastettiin ja havaittiin kaikkien atomien koostuvan pienestä ytimestä ja ytimen ympärillä olevista elektroneista. 19

Elektronit ovat nykykäsityksen mukaan alkeishiukkasia eli niillä ei ole omaa sisäistä rakennetta (ne eivät siis koostu muista, vielä pienemmistä hiukkasista). Atomiydin sitä vastoin koostuu protoneista ja neutroneista, jotka puolestaan koostuvat kvarkeista. Kvarkit ovat nykykäsityksen mukaan alkeishiukkasia. Kvarkkeja on kuutta eri lajia, mutta tavanomainen aine koostuu vain kahdesta kvarkista (ylös- ja alas-kvarkki) ja elektroneista. On hämmästyttävä ajatus, että koko ympärillä näkyvä maailmamme koostuu vain kolmesta hiukkasesta (elektroni, ylöskvarkki ja alaskvarkki). Pysyvät rakenteet eli aine koostuu näistä. (Valoa tai voimien välittäjähiukkasia ei lueta aineeksi.) Harvinaisempia aineen muotoja voidaan luoda lyhyeksi aikaa vaikkapa hiukkaskiihdyttimillä törmäyksissä. Klassisen fysiikan kuva siitä mistä maailma koostuu oli huomattavasti köyhempi. Tämä osa maailmankuvasta siis laajentui uusien löydösten myötä, mutta samalla havaittiin hämmästyttävää yksinkertaistumista, koska kaiken aineen havaittiin koostuvan samoista perusosasista. (Aineen rakenteen tutkimus on täydentynyt nykypäiviin saakka eikä kysymys ollut yhtäkkisestä hyppäyksestä.) 20

Yleisen suhteellisuusteorian vaikutus maailmankuvaan tuli siitä, että se mahdollisti maailmankaikkeutta kokonaisuutena tutkivan tieteenalan, kosmologian, synnyn. Teoria antoi mahdollisuuden ennustaa maailmankaikkeuden käyttäytymistä ja sen kehitystä. Siitä voitiin johtaa maailmankaikkeuden laajeneminen ja jopa sen synty, alkuräjähdys eli Big Bang. Maailmankaikkeuden tutkimuksessa hyödynnetään yleisen suhteellisuusteorian lisäksi myös muita fysiikan osa-alueita, kuten hiukkasfysiikkaa. Hiukkasfysiikalla on suuri merkitys sen selvittämisessä mitä varhaisessa maailmankaikkeudessa tapahtui heti alkuräjähdyksen jälkeen. 21

Miksi fysiikka ei ole yksinkertaista? Yleisesti ottaen fysiikan tavoite on ymmärtää luontoa ja luonnonilmiöitä. Tähän kuuluu halu ymmärtää mistä kaikki koostuu tai rakentuu. Idea siitä, että suuremmat objektit koostuvat useasta pienemmästä, on vanha. Jo antiikin aikoina filosofoitiin, että kaikki koostuu pienestä määrästä alkuaineita. Antiikin aikoihin näiden uskottiin olevan tuli, vesi, maa ja ilma, jolloin kaikki muu olisi näiden erilaisia yhdistelmiä. Sama idea havaitaan myös nykyisten alkuaineiden suhteen, jotka esiintyvät kemistien paljon käyttämässä jaksollisessa järjestelmässä. Kaikki tavanomainen aine koostuu näiden alkuaineiden atomeista, jotka liittyvät yhteen molekyyleiksi tai kiinteiksi aineiksi. Atomit ovat siis (kemian näkökannalta) perusosasia, joista muut objektit koostuvat. Kuva. Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä. Lähde: Wikipedia. 22

Fysiikka pyrkii aina menemään entistä syvemmälle aineen rakenteeseen. Vaikka atomit muodostavatkin tietynlaisen erittäin tärkeän välitason aineen rakenteen ymmärryksessä, ne eivät ole kaikista pienimpiä aineen rakenneosasia. Nykykäsityksen mukaan aineen rakenteen alkeellisimpia perusosasia ovat kvarkit ja elektronit. Niillä ei ole oleteta (tai tiedetä olevan) sisäistä rakennetta eli ne eivät koostu vielä pienemmistä hiukkasista. (Tämä voi tietenkin muuttua koska tahansa mikäli saadaan todisteita, että niillä olisikin sisäistä rakennetta.) Fysiikan tarkoitushan olisi (periaatteessa) selvittää aineen todelliset alkeishiukkaset ja niiden väliset voimat, jolloin näistä voitaisiin matemaattisesti ennustaa kaikki suuremmat systeemit, joita on olemassa tai joita voisi olla olemassa. Jos tässä onnistuttaisiin, kaikki näyttäisi olevan yksinkertaista. Tällöin fysiikan opiskelijoille voisi aivan alussa kertoa mitä alkeishiukkasia on olemassa ja minkälaiset niiden väliset voimat ovat. Kaikki loppu olisikin sitten vain laskentaa (tietokoneita hyödyntäen) ja kaikki maailman ilmiöt ja fysikaaliset asiat nousisivat mukavasti ja vaivattomasti esiin laskennan tuloksena. Kuulostaa helpolta, mutta käytännössä tämä ei kuitenkaan onnistu. 23

Syy tähän on se, että luonto on monimutkaisempi kuin voisi kuvitella. Alkeishiukkaset eivät käyttäydykään kuten pienen pienet biljardipallot, jotka poukkoilevat edestakaisin voimien vaikutuksesta. Tämä mielikuva tulee klassisesta fysiikasta jossa kaikki on yksinkertaista ja mekaanista. Todellisuus ei kuitenkaan käyttäydy näin. Kvanttifysiikassa on selvitetty, että alkeishiukkasten välinen vuorovaikutus (eli siis voima ) on erittäin monimutkainen tapahtuma. (Sopivissa olosuhteissa vuorovaikutuksen monimutkaiset yksityiskohdat eivät kuitenkaan tule näkyviin vaan se näyttää suhteellisen yksinkertaiselta, kuten vaikkapa kahden sähkövarauksen välinen Coulombin laki. Fysiikan tarkimman teorian (QED, kvanttielektrodynamiikka) mukaan vuorovaikutus on virtuaalisten fotonien vaihtoa. Esim. elektroni lähettää virtuaalisen fotonin ja toinen elektroni nappaa sen. Tämä prosessi siirtää energiaa ja liikemäärää, mikä vastaa sitä mitä voimalla normaalisti ymmärretään. Hieman yksinkertaistaen voidaan sanoa, että on olemassa lukematon määrä erilaisia reittejä, joilla virtuaalinen fotoni voi päätyä elektronilta toiselle. Tämä tekee vuorovaikutuksesta hyvin monimutkaisen prosessin, jonka kaikkien yksityiskohtien huomioiminen laskuissa on mahdotonta. 24

Siis jopa yksinkertaisimmat tilanteet (esim. kahden alkeishiukkasen vuorovaikutus) ovat todellisuudessa hyvin monimutkaisia. Tällöin joudutaan turvautumaan approksimaatioihin tai muunlaisiin temppuihin joilla yksinkertaistetaan laskentaa. Koetuloksiin vertaamalla nähdään mikä niistä toimii ja mikä ei. Jokaista yksityiskohtaa ei voi ottaa huomioon ja silloin pitää yrittää huomioida vain oleellisimmat asiat. Esim. kemiassa riittää, että atomit kuvataan elektronien ja pistemäisen (ei sisäistä rakennetta) ytimen avulla. Tällöin kvarkkeja ei huomioida. Tämän approksimaation tarkkuus on kemian tarpeisiin nähden riittävän hyvä. Myös fysiikan eri osa-alueilla on kullekin tasolle sopivat teoriat, jotka huomioivat kyseiseen ilmiömaailmaan liittyvät oleelliset asiat. Teoriat ovat usein tarkempien teorioiden approksimaatioita, joita saadaan jättämällä pois sopivia yksityiskohtia. Seurauksena on yksinkertaisempia ja laskennallisesti kevyempiä teorioita, joiden ennustevoima tietyissä tilanteissa on riittävän hyvä. Tämä toki rajoittaa niiden pätevyysaluetta. Joihinkin ilmiöihin riittää käyttää vaikkapa klassisia Newtonin lakeja, kun taas toisiin pitää käyttää kvanttimekaniikkaa ja joihinkin vielä tarkempaa kvanttielektrodynamiikkaa. 25

Maailman täydellinen ja kaikki yksityiskohdat huomioiva mallinnus pienimmistä perusosasista lähtien kohti suurempia kokonaisuuksia ei nykyisin onnistu pelkästään teorian pohjalta (luonto on liian monimutkainen). Nykyinen kuva maailmasta on luotu kokeiden ja teorian yhteispelillä. Tämä on myös syy miksi fysiikkaa ei opeteta lähtien liikkeelle alkeishiukkasista ja niiden välisistä voimista. Sitä opetetaan lähtien helpoimmin ymmärrettävästä (klassinen fysiikka) ja siirrytään pikku hiljaa vaikeammin omaksuttaviin asioihin (kuten kvanttimekaniikka). 26

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. Syvällistä tietämystä esim. ytimen rakenteesta tai hiukkasfysiikasta ei juuri tarvita. Kemian teoreettinen tietämys tulee kvanttimekaniikasta, fysiikan teoriasta. Myös kemiassa tutkitaan atomin rakennetta, mutta siellä rajoitutaan elektroniverhon ilmiöihin, koska elektroniverho määrää atomien ja molekyylien ne ominaisuudet, joilla on kemiassa merkitystä. Fysiikan ja kemian raja onkin hyvin häilyvä ja atomeja sekä molekyylejä tutkivia aloja kutsutaan esim. atomi- ja 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. 27

Kemian ja fysiikan ero tulee mm. siitä, että fysiikka ei rajoitu pelkästään elektroniverhon tutkimukseen vaan haluaa selvittää atomin koko rakenteen ydintä myöten. Fysiikka tavallaan jatkaa siitä mihin kemia lopettaa. Koska kemian teoreettinen tietopohja tulee fysiikasta, kemia perustuu periaatteessa fysiikkaan, vaikkakin monet kemian ilmiöt ovat liian monimutkaisia johtaa suoraviivaisesti fysiikan laeista. Kuitenkin uskotaan, että se olisi periaatteessa mahdollista. 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 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 on mahdollista, että toiset ainemöykyt (aivot) voivat tuottaa tietoisuuden, mutta toiset (esim. kivi) eivät. Atomit sinänsä, joista kaikki rakentuu, eivät ole eläviä eivätkä tietoisia. 28

Tekniikka soveltaa fysiikan ja muiden alojen tietämystä luodessaan laitteita tai tuotteita, joilla on käytännöllistä merkitystä. Toisaalta tekninen kehitys avaa uusia kokeellisen tutkimuksen mahdollisuuksia myös fysiikkaan, esim. hiukkaskiihdyttimet ovat tekniikan ja fysiikan yhteistyön tulosta. Tietokoneet hyödyttävät fysiikkaa erittäin paljon, koska niillä voi laskea monimutkaisia teoreettisia ennusteita. Tietokoneiden kehitys pohjaa transistoriin, joka on teknisen fysiikan keksintöjä. Tekninen fysiikka on poikkitieteellinen ala sisältäen fysiikkaa, tekniikkaa ja matematiikkaa, tarkoituksena luoda teknisiä innovaatioita. Eli tekniikan kehitys mahdollistaa osaltaan myös fysiikan kehityksen, koska fysiikan kokeellisessa ja laskennallisessa tutkimuksessa teknisillä laitteilla on suuri merkitys. Vastaavasti fysiikan kehitys luo mahdollisuuksia kehittää uutta tekniikkaa. 29

Matematiikka ei sinänsä ole luonnontiede, koska se ei tutki itse luontoa tai pyri sinänsä selittämään luonnonilmiöitä. Se on täysin oma alansa, jolla on omat tavoitteensa. Useat matematiikan osa-alueet eivät liity luonnontieteisiin millään tavalla. On kuitenkin huomattu, että osa matemaatikoiden kehittämistä rakenteista sopii luonnonilmiöiden kuvailuun, koska luonnonilmiöissä havaitaan näitä samoja rakenteita. Tällöin on luonnollista kuvata kyseinen luonnonilmiö sitä vastaavalla matemaattisella mallilla. Fysiikka pyrkii mahdollisimman suureen tarkkuuteen. Kokeellisella puolella tarkkuusvaatimukset täyttyvät käyttämällä mittalaitteita (verrattuna pelkästään ihmisen suorittamaan havainnointiin). Teoreettisella puolella tarkkuus ja täsmällisyys saavutetaan ilmaisemalla fysiikan lait ja periaatteet matematiikan kielellä (verrattuna pelkkään laadulliseen kuvailuun sanojen avulla). Tämä mahdollistaa riittävän tarkan ilmaisun ilmiöiden ja lakien yksikäsitteiseksi määrittelemiseksi. Lisäksi se antaa keinon tuottaa teoriasta laskettuja ennusteita (eli tuottaa lukuja), joita verrataan kokeellisesti saataviin mittauksiin (eli lukuihin). Matematiikan avulla näennäisesti erilaisissa luonnonilmiöissä voidaan nähdä samoja rakenteita. Lisäksi on tilanteita, joissa mielikuvitus loppuu, jolloin matematiikka on hyvä apuväline jatkaa eteenpäin loogisesti. 30

Fyysikoille opetettavat matematiikan kurssit ovat niitä matematiikan osaalueita, jotka on havaittu hyödyllisiksi fysiikan ilmiöiden kuvailussa. Toisinaan (nykyaikana enää harvoin) käy niin, että fyysikot tuottavat uutta matematiikkaa fysiikan tutkimuksen sivutuotteena. Nykyajan esimerkki on Edward Witten, joka sai Fieldsin mitalin ( matematiikan Nobel ) tutkiessaan nykyfysiikan mahdollisia laajennuksia, kuten supersymmetrisiä teorioita. Matematiikan merkitys fysiikalle on suuri ja voidaan hyvin sanoa, että fysiikan kieli on matematiikka. 31

Fysiikka tieteellisen maailmankuvan perustana Tieteellisellä maailmankuvalla tarkoitetaan tieteellisin menetelmin hankittua tietoa maailmasta ja sen toiminnasta. Tieteellinen maailmankuva yhdistää eri tieteenalojen hankkiman tiedon yhdeksi kokonaisuudeksi. Fysiikan suhde muihin (luonnon)tieteen aloihin ja erityisesti se, että se toimii perustana ja kivijalkana muille, tekee siitä myös tieteellisen maailmankuvan perustan. Tämä on täysin luonnollista, koska fysiikalla on käytössään syvällisempää tietoa luonnon toiminnasta kuin millään muulla alalla. Itse tieteellisen maailmankuvan kuvailuun pitäisi selittää kaikki se mitä tiede on saanut selville tähän mennessä. Tässä kurssissa keskitytään siihen mitä fysiikka on saanut selville maailmastamme vuosisatojen tutkimuksen tuloksena. 32

Maailmankuvien vertailua Tieteellinen maailmankuva on siis tieteen antama kuva maailmasta. Muita maailmankuvan (tai todellisuuskäsityksen) perustoja voivat olla esim. uskonnot, omat arkikokemukset ja uskomukset, taikausko, jne. Yksittäisen ihmisen maailmankuva voi sisältää palasia monista näistä. Ehkäpä yksittäisen ihmisen maailmankuvaa voisi kuvailla termeillä pääosin tieteellinen, pääosin uskonnollinen, tms. Tiedekään ei tiedä kaikkea ja varsinkaan yksittäinen ihminen ei tiedä kaikkea mitä tiede on saanut selville. Myös väärinkäsitykset ja väärinymmärrykset kuuluvat asiaan. Tieteellinen maailmankuva onkin tavallaan koko tiedeyhteisön yhteinen tieto maailmasta. Se on kokonaisuus senhetkisestä parhaiten perustellusta tiedosta. Lisäksi se täydentyy jatkuvasti ja osa siitä voi korvautua uudella tiedolla mikäli sille on paremmat perustelut kuin vanhalle. Tässä tieteellinen maailmankuva eroaa muista, koska muita maailmankuvia ei useinkaan pyritä perustelemaan tai testaamaan, tai niitä on mahdotonta testata. Niiden perustana on esim. auktoriteetti eli arvovaltaisten ihmisten näkemys asiasta tai sellaiset henkilökohtaiset uskomukset, joista ei haluta luopua syystä tai toisesta. 33

Tieteellinen maailmankuva edustaa sellaista tietämystä maailmasta, joka pystytään mahdollisimman hyvin perustelemaan. Siihen kuuluu olennaisena osana se, että sitä saa kritisoida. Kuitenkin kritiikki itse on pystyttävä perustelemaan. Jos löytää toistaiseksi tuntemattomia puolia luonnon toiminnasta ja kykenee perustelemaan ne hyvin, ne voidaan ottaa osaksi tieteen tietojärjestelmää (ja siten myös osaksi tieteellistä maailmankuvaa). Tieteellinen tutkimus on juuri tätä. Lisäksi tieteen kuva maailmasta on universaalia eli samanlaista kaikkialla maailmassa. (Tätä voi verrata ihmisten uskomuksiin tai uskontoihin, jotka vaihtelevat ympäri maailmaa.) Tieteelliset kokeet voidaan tehdä missä tahansa ja saadaan samat tulokset. Fysiikka ja muut tieteenalat edustavat toki tieteellistä maailmankuvaa ja pyrkivät parhaansa mukaan vakuuttamaan kuulijat omaksumaan piirteitä tieteellisestä maailmankuvasta, mutta tästä huolimatta jokaisella on toki oikeus valita omat uskomuksensa tai uskomusjärjestelmänsä. 34

Fysiikan sovelluksia ja soveltavia aloja Luonnontieteellinen tutkimus on usein perustutkimusta, mikä tarkoittaa, että tutkimuksen ensisijainen tarkoitus on luoda uutta tietoa tutkittavasta kohteesta. Soveltava tutkimus sen sijaan pyrkii johonkin käytännölliseen päämäärään käyttäen jo olemassa olevaa tietoa. Ensisijainen tarkoitus ei ole uuden tiedon tuottaminen vaan vanhan tiedon hyötykäyttö. Näin nähtynä muut luonnontieteet ja tekniikka soveltavat fysiikan tietämystä omiin tarkoitusperiinsä. (Fyysikot sen sijaan käyttävät fysiikkaa luodakseen uutta tietoa, joka liitetään osaksi fysiikan tietokokonaisuutta.) Vastaavasti fysiikka soveltaa matematiikan tuloksia omiin tarkoitusperiinsä. Erityisesti tekniikan keksinnöt, laitteet ja menetelmät pohjautuvat monesti suoraan fysiikan tietämykseen. Näitä ovat esim. sähkön hyötykäyttö, mikroaaltouuni, tutka, laser, radio, TV, tietokone, ydinvoima, Nykyajan hyvinvointi on pitkälti teknisten keksintöjen ja sovellusten ansiota. (Mitäpä olisi maailma esim. ilman sähköä tai sähkölaitteita?) 35

Aina tietoa ei käytetä pelkästään rauhanomaisiin tarkoituksiin. Fyysikot olivat avainasemassa ydinaseiden kehityksessä ja valmistuksessa. (Ensimmäiset ydinaseet kehitettiin ja valmistettiin v. 1945 Yhdysvalloissa 2. Maailmansodan aikana.) Perustutkimuksen luomaa tietoa voidaan siis soveltaa eri tarkoitusperiin. Tarkat rajanvedot perus- ja soveltavan tutkimuksen tai eri tieteenalojen välillä eivät liene mahdollisia. On myös poikkitieteellisiä tieteenaloja, joilla käytetään usean eri alan tietoja yhteisen päämäärän saavuttamiseen, oli se sitten tiedon hankkimista tai sen hyötykäyttöä. Esimerkkinä mainittakoon biofysiikka, joka hyödyntää fysiikan, matematiikan, tekniikan ja lääketieteen tietoja tutkiessaan elämään liittyviä ilmiöitä, vaikkapa biomolekyylejä tai soluja. 36