Esihistoria
Varhaisimmat fysiikkaan viittaavat merkit ovat peräisin neanderthalin ja Cro-Magnonin ihmisen ajalta noin 30 000 vuotta sitten. Tämä tieto perustuu luunpalaseen, johon on erään tulkinnan mukaan kaiverrettu merkintöjä Kuun kierron vaiheista. [}}][}}] Luu löydettiin Abri Blanchardsta'sta Ranska. Luonnonvoimien tuntemuksen arvellaan kehittyneen sekä käytännön elämän ongelmien vaatimuksesta että taivaan- ja luontokappaleiden sekä luonnon ilmiöiden havainnoinnista, peloista ja turvattomuuden tunteesta. Syntyi uskonnollisia kultteja ja riittejä, jotka kannustivat tavoittelemaan korkeampaa tietoa. Ensin kehittyivät ennustaminen, mantiikka, ja magia, joka tarkoittaa tietäjää ja mahtia.
Mantiikan ja magian pohjalta alkoi kehittyä uusia luontoa tutkivia aloja, kuten tekniikka, lääkintätaito, ajanlasku, tähtitiede ja matematiikkallisella. Esihistoria ajalla tiede, taide ja uskonto olivat hyvin vahvasti kytköksissä toisiinsa.
Varhainen fysiikka
Idän korkeakulttuurit
Esihistoriallisena aikana jokien suistoihin ja laaksoihin syntyneissä kaupungeissa alkoi kehittyä korkeakulttuureita. Korkeakulttuurissa kaikkien ei tarvinnut osallistua ruoan hankintaan, jolloin jotkut saattoivat omistautua 'tieteen' tutkimiseen. [Ihmisen ja ympäristön aikakirja s. 34: '-- Tuolloin oli yleinen tapa ottaa vieraista heimoista orjia. Heidät pantiin kaivamaan kanavia, jotta peltoalaa voitiin lisätä väestön elättämiseksi. Eufratin virtauksen hallitsemiseksi tarvittiin pengerryksiä, patoja, kanavia, salaojia, nostolaitteita, ja työvoimaa. Urukin maataloudesta tuli varsin monimutkainen järjestelmä johon kuului peltojenhoidon lisäksi ajan mittaaminen, sääennustukset--'
Ihmisen ja ympäristön aikakirja s. 35: 'Urukin papit kehittivät nuolenpääkirjoituksen noin 3200 eKr. tehokasta hallintoa ja valvontaa ei voitu hoitaa pelkästään suullisesti -- Kylvämistä ja sadonkorjuuta varten kehitettiin tarkka kalenteri--'] Varhaisimmat korkeakulttuurit sijaitsivat Kiinassa (Keltainenjokissa), Intia (Indusjoki), Mesopotamiassa (Eufrat ja Tigris) sekä Egyptissä (Niili). Ensimmäiset vahvat viitteet fysiikan tutkimisesta löytyvät Aasian korkeakulttuureista; näissä kehittyi kirjoitustaito ja tulkituista kirjoituksista on voitu hahmotella tieteen historiaa. [ }}]
Etelä-Amerikan atsteekkien, inkojen ja mayojen kulttuurit kehittyivät muista eristyksessä. Näiden hyvin kehittyneiden kulttuurien tiede perustui lähinnä tähtitieteeseen ja sen avulla kehitettyyn aikajärjestelmään. Etelä-Amerikan kulttuurit säilyivät eristäytyneinä aina löytöretkiin asti. Ne tuhoutuivat, kun eurooppalaiset toivat alueelle tauteja, joille alkuperäiskansat eivät olleet vastustuskykyisiä.
Kiina
Kiinalaisessa kulttuurissa tiede kehittyi varsin nopeasti, vaikka se sijaitsi hyvin etäällä muista kulttuureista. Muista kulttuureista eristäytyminen johti kuitenkin tieteen taantumiseen. Kiinalaiset olivat tutkineet Auringon kiertoa ja Kuun vaiheita 4000 vuotta ennen ajanlaskun alkua. He kykenivät muun muassa selittämään vuoroveden synnyn ja keksimään aurinkokellon. Ensimmäiset vuorovesihavainnot saatiin Jangtse-joella, jossa kiinalaiset huomasivat säännöllisen noin kolmen metrin nousun ja ymmärsivät yhteyden Kuun kierron ja vuorovesi-ilmiön välillä. Kiinalaisten kehittämä vuoroveden syntyteoria ei kuitenkaan vastaa millään tavoin nykyaikaista. Kiinalaiset vertasivat vettä ihmisen vereen ja tästä he päättelivät, että nousu- ja laskuvedet vastaavat ihmisen pulssia. Havainnon selittäminen kuvastaa sen ajan fysikaalista todellisuuskäsitystä. [ }}]
Kiinalaiset olivat hyvin eteviä matematiikassa, tosin nolla tuli heidän lukujärjestelmäänsä vasta 1200-luvulla. Kiinalaiset kehittivät myös aurinkokellon, mutta kuten monen muun kiinalaisen keksinnön tapaan, se ei juuri levinnyt Kiinan ulkopuolelle. [ }}]
Intia
Induskulttuurin levinneisyys. Kartassa näkyvät Harappa ja Mojenjo-daro
Intian korkeakulttuuri on hieman nuorempi kuin kiinalainen, mutta Intiassa fysiikka ensimmäistä kertaa erottui muista tieteenaloista. Intian korkeakulttuurin suurimmat keskukset olivat Mojenjo-daro ja Harappa. Tältä ajalta on löydetty kymmenjärjestelmään pohjautuva mitta-asteikko.
Intialainen filosofi esitti myös ajatuksen atomista aineen rakennusosana 3000-luvulla. Tämä on selvästi aiemmin kuin kreikkalainen Empedokles, joka tuli samankaltaiseen lopputulokseen. [}}][ }}] Intialaisten mukaan maailma koostui neljästä eri atomityypistä: ilma-, tuli-, vesi- ja maa-atomista. Lisäksi heidän mukaansa maailmassa oli jonkinlaista eetteriä. Buddhalainen filosofi korvasi ajatuksen eetteristä ilolla, elämällä ja surulla.
Mesopotamia
Persian valtakunta 490-luvulla eaa. Kuvassa näkyvät Babylonian ja Assyrian sijainnit
Nykyisen Irakin alueella eli Eufrat- ja Tigris-jokien varrella sijaitsi kolme suurta korkeakulttuuria: Assyria, Babylonia ja Sumer.
Sumerit kehittivät nuolenpääkirjoituksen, jossa oli yli 500 merkkiä. Nuolenpääkirjoitus oli hyödyllinen kaupanteossa ja kirjanpidossa. Kirjoitustapa omaksuttiin kuitenkin pian muillakin alueilla, mikä hankaloitti kirjoituksen tulkintaa, sillä kirjoitustapoja kehittyi monta erilaista. Sumerilaiset nimesivät tähtiä, ja näistä on kaksi edelleen käytössä: Girtab ja Nunki.
Babylonia sijaitsi nykyisten Etelä-Irakin ja Kuwaitin alueilla. Babylonialaiset käyttivät seksagesimaalijärjestelmää, jonka kantalukuna on 60. Babylonialaisten käyttämä järjestelmä on periytynyt nykyiseen ajanmittaukseen, jossa yksi tunti on 60 minuuttia ja yksi minuutti 60 sekuntia. Babylonialaiset jakoivat päivän kuuteen osaan, egyptiläiset kehittivät tätä edelleen ja jakoivat päivän kahteentoista osaan. [}}] Tämän tarkoitus oli vähentää kaupankäynnin epävarmuutta. Pienin pituusyksikkö oli yksi sormi, joka on noin 1,65 cm, ja yksi kyynärä oli 30 sormea.
Babylonialaiselle tieteelle oli ominaista ilmiöiden välisten yhteyksien selvittäminen ja saatujen tulosten taulukointi. Babylonialaiset havaitsivat muun muassa Maan pallomuodon. Babylonian ja muiden korkeakulttuurien tieteellinen kehitys oli jähmeää, sillä kaikki tietämys oli papiston käsissä. Papiston mielestä ei ollut tarvetta tutkia rakennetta syvällisesti, sillä se kaikki on jumalan antamaa ja määräämää eikä sen toimintaa sovi tutkia. Tärkeintä oli vain toistuvien ilmiöiden ennustaminen. Babylonialaisten lisäksi kiinalaisten ja Amerikan korkeakulttuurien kehitys pysähtyi. Ominaista babylonialaisille ja muille kulttuureille oli se, että tiedettä kehitettiin vain siihen asti kuin se oli tarpeen.
Babylonialaisten perintö on erityisen tärkeä Euroopalle, sillä Babylonian tuhouduttua sen tietoja siirtyi kreikkalaisille. Tieteen kehittymisen kannalta kuitenkin vasta kreikkalaiset tekivät ratkaisevan siirron: he alkoivat arvostaa tutkimusta sen itsensä vuoksi eikä sen tarvinnut palvella mitään muuta.
Eurooppa nousee
Antiikin Kreikka
Platon ja Aristoteles Rafaelin maalaamassa freskossa
Vuoristoisena maana Kreikka oli valtiollisesti Babyloniaa ja Egyptiä paljon hajanaisempi. Merenkulku oli kreikkalaisille tärkeää. Riippumattomuus muista valtioista ja vieraisiin kulttuureihin tutustuminen mahdollisti kreikkalaisten itsenäisen ajattelun kehitystä. [ }}]
Ensimmäisenä kreikkalaisena – ja samalla koko tunnetun historian – tiedemiehenä pidetään Thalesta. Thaleen uskotaan ensimmäisenä tutkineen luontoa sen tutkimisen takia eikä muun ulkopuolisen intressin, kuten maanviljelyn tai rakennusten rakentamisen, vuoksi. Thales ennusti ensimmäisenä auringonpimennykseninin; ennustuksen todenperäisyyttä on kuitenkin kyseenalaistettu. [}}]
Thaleen oppilaan Anaksimandroksen tiedetään kehitelleen ensimmäisen aurinkokellon Kreikassa. Hänen uskotaan myös piirtäneen ensimmäisen maailmankartan.
Antiikissa tutkittiin samoja asioita kuin nykyäänkin: mitä aika on ja voiko tyhjästä syntyä jotakin olevaa? Antiikissa ajateltiin ajan olevan ikuista ja kaikki on aina ollut, maailma nähtiin ikuisesti samanlaisena. Italialaisen Parmenideen mielestä ajan muutos on vain näennäistä. Herakleitos näki maailman toisin, hänen mukaansa mikään ei voi olla pysyvää ja asiat ovat jatkuvassa muutoksessa. Tästä hän päätteli, että muutos on todellista ja pysyväisyys vain harhaa.
Fysiikan historian kannalta merkittävimpänä kreikkalaisena fysiikan tutkijana pidetään Aristotelesta, joka oli Platonin oppilas. Platonista poiketen Aristoteles uskoi vain yhteen stabiiliin maailmaan, joka ei ole koskaan syntynyt eikä tuhoudu koskaan. Aristoteles ei kuitenkaan ollut varsinainen fyysikko vaan hän tutki fysiikkaa ennemminkin filosofian avulla. Fysiikka-teoksessaan Aristoteles myös hyväksyy Empedokleen käsityksen neljästä alkuaineesta: tulesta, ilmasta, vedestä ja maasta. Samoihin alkuaineisiin oli päädytty Intiassa jo muutamia satoja vuosia aiemmin. Aristoteles kehitti liikelakeja, jotka Galilei todisti 2 000 vuoden jälkeen vääriksi. Aristoteleen opetukset on monelta osin osoitettu virheellisiksi, mutta ne juurtuivat katolisen kirkon oppeihin niin syvälle, että ne säilyivät aina 1500-luvulle asti.
Ennen Aristotelesta Demokritos ja hänen opettajansa Leukippos olivat kehittäneet opin, jonka mukaan kaikki aine koostuu pienistä jakamattomista 'jyvistä', joita he kutsuivat nimellä atomos (jakamaton). Heidän mukaansa kaikella on luonnollinen syy eikä mitään yliluonnollista ole olemassakaan. Demokritoksen ja Leukippoksen ajatukset vastaavat pitkälle nykyajan käsitystä maailman rakenteesta. Demokritoksen ja hänen opettajansa mukaan atomos-jyvät olivat jakamattomia - nykykäsityksessä atomi voidaan vielä jakaa pienempiin osasiin. Aristoteles vaikutti vahvasti myös tässä teoriassa, tosin negatiivisesti: hän oli eri mieltä atomiopista ja hylkäsi sen täysin. Koska Aristoteleen opetukset hallitsivat tieteen alalla ja kirkko esti tieteen kehittymistä, oli atomiopin kehitys pysähdyksissä lähes 2 000 vuotta.
Pythagoras tunnetaan erityisesti matemaatikkona, mutta hän antoi myös oman panoksensa fysiikkaan. Pythagoras loi matemaattisen musiikinteorian perusteet ja perusti akustisen musiikinteorian monokordimittauksilla.
Aristarkhos oli ensimmäinen kreikkalainen, joka ehdotti heliosentristä maailmankuvaa, tosin vastaavaan tulokseen oli aiemmin päädytty jo Babyloniassa.
Arkhimedes oli hellenistisen ajannn suurin luonnontieteilijä. Hän vaikutti suurimman osan elämästään syntymäkaupungissaan Sisilia Syrakusassa. Arkhimedes on erityisesti tunnettu hänen mukaansa nimetystä Arkhimedeen laista, jonka avulla voidaan määrittää kappaleen tilavuus ja tiheys yksinkertaisesti, vaikka se olisi epämääräisen muotoinen. Arkhimedes saavutti useita tieteen kannalta merkittäviä läpimurtoja. Häntä voidaann kutsua fyysikoiden esi-isäksi, koska hän pohjasi fysiikan tutkimisen puhtaasti kokeisiin.
Kreikkalaisen tieteen kehitystä hidasti kokeiden puuttuminen - ajateltiin luonnon lakien olevan pelkin ajatuksin hahmotettavissa - ja Kreikan valtion rappeutuminen sekä Rooman valtakunnan kasvanut paine. Kreikan valtio luhistui lopullisesti vuonna 27 eaa, kun se liitettiin Akhaia-nimisenä provinssina Rooman valtakuntaan. Osa kreikkalaisesta tieteestä säilyi Rooman vallan yli arabien avulla, osa hävisi kokonaan. Monet kreikkalaiset kirjoitukset hävisivät myös 'pimeällä keskiajalla', esimerkiksi Aristoteleen 150 kirjoituksesta vain 30 on säilynyt nykypäivään asti.
Rooma ja myöhäisantiikin taantumus
, johon oli kirjoitettu antiikin Kreikan tieto tähtitieteestä. Ptolemaioksen on syytetty vääristelleen havaintoja, jotta mallit vastaisivat paremmin todellisuutta.]]
Rooman valtakuntaa pidetään pääasiallisesti sotilasvaltiona eikä niinkään tiedettä ja tutkimusta korostaneena valtiona kuten Kreikkaa. Roomalaiset tosin kykenivät mittaviin insinööritekoihin: he rakensivat laajoja teitä, akvedukteja ja siltoja. Erityisesti akvedukteista roomalaiset olivat ylpeitä. Vaikkei tieteen asemaa korostettu samalla tavalla kuten ennen, kehittyi fysiikka kuitenkin myös Rooman valtakunnassa ajanlaskun alun jälkeisenä aikana.
Rooman ajan merkittävin fyysikko oli Heron Aleksandrialainen, joka oli myös matemaatikko ja insinööri. Katoptriikka-teoksessaan hän osoitti geometrisesti, että valon heijastumislaki seuraa Aristoteleen periaatteesta jonka mukaan luonto valitsee aina lyhyimmän tien. Hän myös esitti kaasujen koostuvan hyvin pienistä hiukkasista, jotka täyttivät tyhjiön vain osittain.
Länsi-Roomassa fysiikan kehitystä hidasti katolinen kirkko, eikä Bysantissakaan tehty merkittäviä tieteellisiä läpimurtoja. Bysantti oli kuitenkin antiikin ja arabien tieteellisen ja taiteellisen ajattelun välitysalusta. Bysantin tieteen kehityksestä kertoo arabialainen oppinut al-Dyahiz, jonka mukaan bysanttilaisilla ei ollut minkäänlaista kirjallisuutta eikä tiedettä. Sen sijaan he olivat varsin eteviä kirkon rakentajia, veistäjiä, käsityöläisiä ja taiteilijoita.
Fysiikan, ja koko länsimaisen tieteen, kehityksen kannalta tärkeä Aleksandrian kirjasto tuhoutui tulipaloissa. Täysin varmaa ei ole koska kirjasto tuhoutui. Kirjastossa oli historian saatossa tapahtunut monia tulipaloja, jotka tuhosivat tärkeää kreikkalaista ja idässä tehtyä tiedettä. Arvellaan, että tuhon syypäitä ovat islaminuskoiset arabit, jotka eivät sietäneet ihmisten ja eläinten kuvia tekstien seassa. On myös ehdotettu, että kirjasto tuhoutui Julius Caesarin hyökkäyksessä.
Kristinusko alkoi levitä nopeasti myöhäiskeskiajalla ja se syrjäytti tieteen. Tällöin arabien tekemä käännöstyö oli erityisen tärkeätä kreikkalaisten tietämyksen säilymisen kannalta. Myöhemmin arabiankielisistä teksteistä käännettiin antiikin tietoja takaisin.
Fysiikka keskiajan Arabiassa
Tieteiden kehityksen kannalta Arabia oli keskiaikaista Eurooppaa hedelmällisempi. Antiikin filosofinen perinne siirtyi Syyrian kautta arabeille, joiden kulttuuri puhkesi kukkaan 800-luvulla Bagdadissa. Kalifi al-Ma'munsta perusti 800-luvulla Bagdadiin korkeakoulun, jota kutsuttiin Viisauden taloksi. [ }}] Arabit keskittyivät lähinnä astronomian ja matematiikan kehittämiseen, mutta myös fysiikassa edistyttiin. Monet Arabian tiedemiehistä eivät olleet alun perin arabialaisia vaan kotoisin arabien valloittamilta alueilta kuten Persia. Itse asiassa koko arabialaisen tieteen nousu oli arabien valloittamien alueiden ansiota.
Antiikin Kreikassa fysiikan tutkimus perustui lähinnä ajatteluun eikä kokeiden tekemiseen. Arabiassa tilanne oli päinvastainen: kokeet olivat paljon tärkeämmässä asemassa kuin ajatuksilla leikkiminen. Arabit olivat ensimmäisiä, jotka käyttivät tutkimuksissaan modernia tieteellistä metodia.
Persialaista tiedemiestä Muhammad al-Fazaria pidetään astrolabin ensimmäisenä rakentajana. [}}] Tieto astrolabista, tärkeästä suunnistusapuneuvosta, levisi islamilaiseen maailmaan kreikkalaisten käännösten avulla. Myös tärkeät matemaattiset apuneuvot, algebran ja algoritmin, keksi persialainen tiedemies, Al-Khwarizmi.
Arabia oli erittäin laaja alue, suurimmillaan lännessä se ulottui koko nykyisen Espanjan alueelle. Lisääntynyt vuorovaikutus eurooppalaisten kanssa edesauttoi tärkeiden arabialaisten kirjoitusten käännättämistä. Näin siirtyivät uudelleen alun perin kreikkalaiset kirjoitukset takaisin Eurooppaan. Kirjapaino keksittiin Euroopassa 1460-luvulla, se mahdollisti tekstien nopean ja entistä suuremman leviämisen. Katolinen kirkko ei pystynyt enää tehokkaasti estämään tieteellisten kirjoitusten sekä kirkon opetuksen kanssa ristiriidassa olleiden tekstien leviämistä yrityksistään huolimatta. Tiede oli nousemassa parempaan asemaan Euroopassa.
Uusi aika
Kopernikuksen katsotaan aloittaneen tieteellisen vallankumouksen
Uuden ajan lasketaan yleensä alkaneen 1400-luvun ja 1500-luvun taitteessa. Uuden ajan suuret murrokset kuten uskonpuhdistus, löytöretket ja kirjapaino mahdollistivat tieteen nousun katolisen kirkon vallan kustannuksella.
Kirjapaino mahdollisti tiedon levittämisen suhteellisen helposti ja aiempaa huomattavasti halvempia kirjoja ostettiin enemmän. Kirkko yritti estää sen oppeja vastustaneiden teosten painamisen ja myymisen alistamalla kirjapainot valtaansa.
Löytöretket antoivat aihetta epäilyyn: uusien alueiden löytäminen oli ristiriidassa kirkon opetusten kanssa. Fernão de Magalhãesin laivueen retkikunta todisti kokeellisesti ensimmäisen kerran Maan pyöreyden purjehtimalla maapallon ympäri. Magalhães kuoli itse Filippiineillä ennen purjehduksen päätöstä.
1500-luvun alussa alkanut uskonpuhdistus heikensi kirkon asemaa erityisesti Pohjois- ja Keski-Euroopassa. Uskonpuhdistus levitti myös kirjoitus- ja lukutaitoa muille yhteiskuntaluokille kuin ylimystölle. Maalliset hallitsijat saivat enemmän valtaa, mikä mahdollisti entistä paremmin tieteen harjoittamisen. Keskiaikainen maailmankuva murtui lopullisesti 1600-luvun puoliväliin mennessä.
Tieteellinen vallankumous
Tieteellinen vallankumous, joka alkoi 1500-luvun loppupuolella, oli tulosta renessanssiinn ajatuksista. Renessanssi edesauttoi löytämään uudelleen antiikin Kreikan, Intian, Kiinan ja Arabian kulttuurin tulokset. Arabialaiset olivat kehittäneet 700-luvulta 1400-luvulle antiikin tieteitä edelleen, ja munkit olivat sittemmin kääntäneet teoksia (kuten Almagest) latinaksi.
Vallankumouksen alku, tähtitiede
Johannes Kepler
Tieteellisen vallankumouksen katsotaan saaneen alkunsa
Nikolaus Kopernikuksen julkaisemasta
De revolutionibus orbium coelestium -teoksesta, jossa hän esitteli aurinkokunnan rakenteen, ja ennen kaikkea korvasi geosentrisen maailmankuvan
heliosentrisellä. Kopernikus oli tehnyt teosta hyvin pitkään ja esitellyt ideoitaan erillisinä teoksina jo aiemmin. Kopernikus kuoli samana vuonna kuin hänen pääteoksensa julkaistiin, mikä luultavasti pelasti Kopernikuksen katolisen kirkon tuomiolta; teosta ei myöskään kielletty ennen kuin
Galileo Galilei joutui kuultavaksi katolisen kirkon eteen. Katolisen kirkon opit olivat juurtuneet niin syvälle sen ajan tiedeyhteisöön, ettei Kopernikuksen väitteitä uskottu lainkaan. Vasta sata vuotta myöhemmin Kopernikuksen malli alkoi vakiintua. Aurinkokunnan malli kuitenkin eteni asteittain kohti heliosentristä.
Tyko Brahe oli merkittävä tanskalainen tähtitieteilijä. Hän opiskeli lakia ja hänen harrastuksenaan oli tutkia tähtitaivasta, mistä myöhemmin tuli hänen ammattinsa. Tutkiessaan Saturnukseninin ja Jupiter kohtaamishetkeä vuonna 1563 hän havaitsi Kopernikuksen teoriaan perustuneissa planeettataulukoissa useiden päivien virheitä. Brahe oli uskonnollinen ja tästä hän sai syyn vastustaa Kopernikuksen teoriaa.
Brahe hankki havaintojensa käsittelyyn apulaisen, jonka nimi oli Johannes Kepler. Keplerille jäi Brahen aineisto tämän kuoltua, ja hän julkaisi toisen Brahen pääteoksen nimeltä Astronomiæ Instauratæ Progymnasmata. Teos sisältää 777 tähden luettelon sekä aurinkokuntamallin, jossa Aurinko ja Kuu kiertävät Maata, mutta muut planeetat kiertävät Aurinkoa. [ }}]
Tieteellinen metodi
Francis Bacon
Francis Bacon tunnetaan tieteellisen metodininin luojana (yhdessä Rene Descartes kanssa). Bacon ei varsinaisesti ollut fyysikko, mutta hän oli tieteellisen ajattelun voimakas tukija. Baconin ihanteena oli mehiläinen, joka kokoaa materiaalia muurahaisen tavoin, muttei jätä työtään kesken vaan tekee keräämästään päätelmiä oman järkensä valossa. Tällä Bacon kuvasi luonnontieteen kehittymistä. Yksittäisestä tapauksesta luodaan lainalaisuus, jonka kuuluu kuvata ilmiötä mahdollisimman laajasti. Bacon oli ”tieteen ilosanoman” levittäjä ja hänen tunnuslauseensa oli ”tieto on valtaa”. Tiede ei ollut arvokasta vain siksi, että sen avulla päästiin selville totuudesta. ”Tieto, joka pyrkii vain mielihyvään, on kuin kurtisaani, joka on olemassa nautintoja varten, muttei tuota hedelmää eikä lisäänny.” Baconin mielestä tieteellistä tutkimusta on käytettävä ihmiskunnan hyväksi kaikin keinoin. Hän oli tietyllä tavalla aikaansa edellä, sillä vasta 1800-luvulla luonnontieteelliseen tutkimuksen tuloksia alettiin soveltaa teollisuuteen ja elinkeinoelämään.[Eurooppalaisen ihmisen aikakirja s. 99 ja 104]
Galilei, kokeellinen fysiikka
Galilei inkvisitiotuomioistuimen edessä
Galileo Galilei on fysiikan historian merkittävimpiä yksittäisiä hahmoja ja ensimmäinen moderni luonnontutkija. Galilei poikkesi aiemmista fysiikan tutkijoista siten, että hän ei piitannut niinkään ilmiöiden selittämisestä vaan niiden kuvaamisesta. Galilei perusti tutkimuksensa ennen kaikkea empiirisiin havaintoihin, mutta olennaisena osana tutkimuksissaan hän käytti myös puhdasta matematiikkaa. Erään tarinan mukaan Galilei testasi Aristoteleen väittämää, että painavammat kappaleet putoavat nopeammin kuin kevyemmät. Tarinan mukaan Galilei kiipesi Pisan kaltevaan torniin mukanaan puolen kilon lyijypaino ja viidenkymmenen kilon tykinkuula. Galilei pudotti nämä yhtä aikaa ja havaitsi, että kappaleet putosivat maahan samaan aikaan. Kokeellisuudesta tuli Galilein jälkeen tieteelle ja fysiikalle tunnusomainen piirre. Kokeellisuutta varten kehitettiin välineitä: Anton van Leeuwenhoek kehitti mikroskoopin ja Galilei paranteli olennaisesti kaukoputkea.
Galilei ei itse keksinyt kaukoputkea, se keksittiin Alankomaissa. Saatuaan tietoja kaukoputkesta Galilei rakensi itselleen sellaisen, jolla hän tutki tähtitaivasta. Galilei havaitsi lukemattoman määrän aiemmin tuntemattomia kohteita ja löysi Kuun pinnalta kraattereita sekä vuoria, joiden korkeutta hän yritti arvioida. Galilei löysi myös ensimmäisenä auringonpilkutin sekä Jupiter neljä kuuta. Tutkimustulokset hän julkaisi vuonna 1610 teoksessaan Tähtien sanansaattajalle. Teos oli myyntimenestys ja kateelliset Galilein virkatoverit kantelivat hänestä paavi. Paavi tuomitsi vuonna 1616 Kopernikuksen ja Galilein kerettiläisiksi (Kopernikus oli tällöin ollut kuolleena lähes sata vuotta) ja heidän kirjansa lisättiin kiellettyjen kirjojen luetteloon. Kirkko painosti Galileita käsittelemään kopernikaanista maailmankuvaa vain hypoteettisesti väittämättä, että se vastasi todellisuutta. Galilei ei palannut moniin vuosiin aiheeseen, mutta vuonna 1632 julkaistiin teos Dialogi kahdesta suuresta maailmanjärjestyksestä. Kirjan takia hänet kutsuttiin Roomaan inkvisitiotuomioistuimeen. Galilei joutui peruuttamaan oppinsa heliosentrisestä maailmankuvasta välttääkseen rovion. Hänet tuomittiin elinikäiseen kotiarestiin inkvisition valvonnan alla. Dialogi-teos määrättiin poltettavaksi ja Galilein tuomio määrättiin luettavaksi jokaisessa yliopistossa. Vasta 1980-luvulla katolinen kirkko perui Galilein tuomion.
Yliopistoissa ei haluttu uskoa Galilein tutkimustuloksia kappaleiden liikkeistä, se kun väitti vääräksi 2000 vuotta vallalla olleen Aristoteleen opin. Galileista tuli ennen kaikkea dynamiikan tutkimuksen suunnannäyttäjä. Galilein työ avasi oven Newtonin tuleville töille. Newtonin työskentely oli sikäli helpompaa koska katolilaisella kirkolla ei ollut Englannissa enää valtaa.
Newtonin mekaaninen maailma
Godfrey Knellerin vuonna 1702 maalaama maalaus Isaac Newtonista
Isaac Newton on maailman kuuluisimpia fyysikoita. Hän kehitti koko universumin liikettä kuvaavat lait vuonna 1687 teoksessaan Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, joka on koko tieteellisen vallankumouksen huipentuma. Newton itse totesi, että hänen oli helppo nähdä kauas seisoessaan jättiläisen olkapäillä. Näillä sanoilla Newton tarkoitti, että hänen oli helppo kehittää kappaleiden liikettä koskevat lait hänen edeltäjiensä työn pohjalta. Newtonin oivalluksesta tekee erityisen se, että hän yhdisti Maassa tapahtuvan liikkeen ja planeettojen liikkeet: omenan putoaminen ja Kuun radalla pysyminen pohjautuvat pohjimmiltaan samaan luonnonlakiin, joka riippuu massasta ja kappaleiden välisestä etäisyydestä. Newtonin painovoimalaki selitti heliosentrisen aurinkokunnan ja planeettojen ellipsin muotoiset radat. Mullistavinta oli juuri se, että Newton ymmärsi yhdistää niin sanotun kuunylisen ja kuunalisen maailman toisiinsa muutamalla kaavalla. Maailmankaikkeudesta tuli mekaaninen sekä mitattavissa ja selitettävissä oleva. Newtonilaisesta ajattelusta tuli tieteen esikuva: luonnon lainalaisuudet tuli mitata ja kuvata se matemaattisesti. Newtonin klassisen mekaniikan pohjana on käsitys absoluuttisesta ajasta ja avaruudesta.
Newtonin ajatukset pysyivät tiedeyhteisön keskeisempänä ajatuksena vuoteen 1900-luvun alkuun asti. Newtonin mekaniikkaa opetetaan edelleen kouluissa, koska se kuvaa tarpeeksi tarkasti normaalia maailmaa.
Newton vaikutti fysiikkaan laajemmin kuin pelkästään mekaniikassa, hän tutki paljon optiikkaa ja termodynamiikkaa. Newtonin mittaukset optiikassa olivat tarkkoja ja perusteellisia. Newton julkaisi optiikkaa käsittelevät työnsä vuonna 1704 teoksessaan Opticks. Prisman aiheuttama spektri tunnettiin jo ennen Newtonia, mutta kunnia valon hajoamisesta annetaan Newtonille, joka ymmärsi ensimmäisenä, että valkoinen valo koostuu kaikista näkyvän valon aallonpituuksista ja prismaan osuessaan valo hajoaa spektriin. Näin ollen hajonnut valo on yhdistettävissä toisella prismalla uudelleen valkoiseksi valoksi.
Termodynamiikassa Newtonin merkittäväksi keksinnöksi on noussut muun muassa Newtonin jäähtymislain keksiminen.
Huygens ja aaltoliike
Christiaan Huygens
Christiaan Huygens tunnetaan kehittämästään Huygensin periaatteesta. Huygensin mielestä aaltoliikkeessä jokainen aaltorintaman piste toimii alkeisaallon lähteenä. Huygensia lienee myös ensimmäisenä pitänyt valoa aaltoliikkeenä. Huygensin käsitys oli päinvastainen kuin Newtonin, joka piti valoa hiukkasina.
Britti Thomas Young valmisti koelaitteiston, joka tunnetaan Youngin kaksoisrakokokeenaliikettliikett. Kokeellaan hän todisti valon olevan aaltoä ja samalla onnistui kumoamaan Isaac Newtonin käsityksen valon hiukkasluonteesta ja vastaavasti todistamaan Huygensin teorian valon aaltoluonteesta oikeaksi.
Tyhjiö ja termodynamiikan perusta
Blaise Pascal tutki paljon painetta ja tyhjiötä, jota jo Rene Descartes oli tutkinut. Hän mittasi
ilmanpaineen vaihtelua veljensä avulla Puy-de-Dôme-tulivuorella. Pascal totesi Evangelista Torricellin olleen oikeassa tämän väittettyä ilmanpaineen pienenevän korkeammalle noustessa. Pascal osoitti Pascalin periaatteessaan vuonna
1654, että nesteen aiheuttama paine on aina yhtä suuri samalla syvyydellä (samassa nesteessä). Pascal selitti myös juoksuttimen eli lapon toimintaperiaatteen.
Otto von Guericke rakensi muutamien epäonnistuneiden testien jälkeen vuonna 1654 ilmapumpun, jolla hän kykeni luomaan tyhjiön. Tällä kokeella hän kumosi Descartesin päätelmän siitä, että tyhjiötä ei voida saada koskaan aikaan koska tyhjiökin koostuu aineesta. von Guericken työ oli pohjana höyrykoneen keksimiselle.
Robert Boyle teki assistenssinsa kanssa kokeita itse rakentamallaan ilmapumpulla. Boyle havaitsi, että paine ja tilavuus olivat käänteisesti riippuvaisia toisistaan lämpötilan pysyessä koko muutosprosessin aikana vakiona. Tämän pohjalta hän kehitti Boylen laiksi kutsutun termodynaamisen lain. Boyle myös havaitsi, että paineen ollessa alhainen myös veden kiehumispiste laskee. [ }}]
Tieteellisen vallankumouksen jälkeinen aika
Tieteellisen vallankumouksen katsotaan usein päättyneen Newtonin Principiaan. Näin ollen tieteellinen vallankumous kesti lähes 150 vuotta.[Eurooppalaisen ihmisen aikakirja s. 102] Eri maiden akatemiat olivat tiiviissä yhteistyössä ja kirjeenvaihdossa; tiede järjestäytyi pikkuhiljaa.
Luonnontieteet eivät kuuluneet alun perin yliopistojen opettamiin aineisiin, mutta 1700-luvulle tultaessa ne alkoivat vakiinnuttaa asemaansa. Yliopistoilta alettiin vaatia enemmän yhteiskunnallisesti hyödyllistä tietoa, muun muassa teollistumisen tarpeisiin. Esimerkkinä suunnanmuutoksesta on Turun akatemian lakkauttama runousopin professuuri, jonka tilalle perustettiin taloustieteen professuuri.
Sähkön tutkiminen 1700-luvulla
Benjamin Franklin. Alkuperäisen teoksen on tehnyt Joseph Duplessis vuonna 1783
Yhdysvaltalainen poliitikko ja tiedemies Benjamin Franklin lennätti ukonilmalla leijaa vuonna 1752. Franklin havaitsi leijan toisessa päässä olleessa avaimessa kipinöintiä. Franklin rakensi tämän kokeen perusteella ensimmäisen ukkosenjohdattimen.
Euroopassa sähkö tutki 1700-luvulla etenkin ranskalainen Charles-Augustin de Coulomb, joka kehitti Coulombin lain, jonka mukaan ”hiukkasen toiseen hiukkaseen kohdistama sähköinen voima on verrannollinen hiukkasten varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön.”
Atomiteorian synty
John Dalton
Tultaessa 1800-luvulle sähkö ja termodynamiikka olivat fysiikan osa-alueet, joissa edistyttiin eniten. Käsitys materiaalin rakenteesta alkoi selventyä, kun atomioppi heräsi uudelleen eloon. John Dalton esitteli vuonna 1808pappi atomiteorian, jonka mukaan kaikki aine koostui pienistä partikkeleista. Dalton oli tullut tähän lopputulokseen tutkimalla kaasujen tilavuuksien suhteita kemiallisissa reaktioissa. Jo ennen Daltonia italialainen jesuiitta Roger Joseph Boscovich oli kuvannut vuonna 1758 teoksessaan Philosophiae naturalis theoria atomeita eräänlaisina pistemäisinä voimakeskittyminä.
Daltonin atomiteoria sai alkunsa, kun hän tutki hiilimonoksidia (häkää). Dalton havaitsi, että hiilimonoksidia syntyy, kun hapen ja hiilen annetaan reagoida suhteessa 3:4. Kun sitten hiilen ja hapen annetaan reagoida suhteessa 3:8, syntyykin hiilidioksidia. Näiden kokemusten pohjalta Dalton ajatteli hiilimonoksidin koostuvan yhdestä happi- ja hiiliatomista ja hiilidioksidin yhdestä hiili- ja kahdesta happiatomista. Vastaavilla kokeilla Dalton määritti silloin tunnettujen alkuaineiden suhteellisia massoja.
Sähkömagnetismi
Skotlantilainen James Clerk Maxwell on kuuluisimpia 1800-luvulla eläneistä fyysikoista
Englantilainen fyysikko
Michael Faraday tutki sähköä ja kehiiti sitä käyttäviä laitteita. Hän keksi muun muassa muuntajan,
Faradayn häkinnn ja
sähkömoottori edeltäjän, roottorin. Parhaiten Faraday kuitenkin muistetaan keksimästään induktiosta. Faraday ymmärsi, että muuttuva magneettikenttä saa aikaan
induktion. Faraday loi myös kenttäkäsitteen, jota kuvataan magneettisilla voimaviivoilla.
Skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell kuuluu fyysikoiden kärkinimiin sähkömagnetismiin liittyvän työnsä ansiosta. Maxwell muistetaan erityisesti paristakymmenestä yhtälöstään, jotka hän esitteli työssään Dynamical Theory of the Electric Field. Maxwellin työ oli aikansa suuri saavutus ja se on erityisen merkittävä, koska sen katsotaan olleen pohjana Lorentz-muunnokselle. Lorentz-muunnos on olennainen suhteellisuusteorian työkalu liikkeessä olevan kappaleen koordinaatistosta paikallaan olevan kappaleen koordinaatistoon siirryttäessä. Koordinaatistomuunnosten merkitys elektrodynamiikassa ilmenee esimerkiksi tilanteessa, jossa varaus on liikkeessä levossa olevan kappaleen suhteen. Liikkeessä oleva varaus näkee varauksen aiheuttaman sähkökentän, mutta varaus ei aiheuta levossa olevan kappaleen koordinaatistossa magneettikenttää. Jos kappale kuitenkin liikkuu varaukseen nähden, varaus kuljettaa kappaleen näkökulmasta sähkövirtaa ja aiheuttaa magneettikentän. Maxwellin yhtälöt eivät kuitenkaan noudattaneet Galilein muunnosta ja fyysikoilla oli edessään vakava ongelma. Tämän ongelman ratkaisi Maxwellin kuoleman jälkeen Hendrik Lorentz, joka keksi Lorentz-muunnoksen – oudolta tässä tuntui se, että kappaleiden kokemat ajat riippuvat kappaleen liiketilasta.
Maxwell tutki sähkön lisäksi muitakin fysiikan alueita, hän osoitti muun muassa sen, että Saturnuksen renkaiden täytyy koostua erillisistä hiukkasista. Hän myös tutki kineettistä kaasuteoriaa.
Saksalainen Heinrich Hertz onnistui ensimmäisenä tuottamaan ja vastaanottamaan sähkömagneettisia aaltoja värähtelypiirien avulla. Tuottaessaan sähkömagneettisia aaltoja sähköpurkauksen avulla Hertz havaitsi myös sattumalta, että sähköpurkauksessa syntynyt valo voimisti toisessa laitteessa käynnissä olluttaa sähköpurkausta. Kyseinen ilmiö tunnetaan valosähköisenä ilmiönä, jota Hertz ei kyennyt selittämään eikä hän uskonut ilmiöllä olevan mitään käytännön merkitystä.
Absoluuttinen nollapiste
William Thomson (tunnetaan myös lordi Kelvininä) tutki myös sähkömagnetismia, mutta tuli tunnetuksi työstään termodynamiikan parissa. Thomson osoitti tutkimuksissaan, että lämpötilalla on alarajann ja johti sen teoreettisesti. Hänen mukaansa on nimetty SI-järjestelmä mukainen lämpötilan absoluuttinen yksikkö. Thomson määritti myös maapallon iän vuonna 1862 arvioimalla sen lämpötilan laskuun perustuen. Thomsonin saama ikäarvio oli 24–400 miljoonaa vuotta. Thomsonin laskuissa oli kuitenkin perusvirhe: hän ei ottanut huomioon maapalloa lämmittäviä tekijöitä kuten radioaktiivista hajoamista (tosin radioaktiivisuutta ei tuohon aikaan tunnettukaan).
Entropia-käsitteen kehittyminen
Itävaltalainen fyysikko Ludwig Boltzmann
Ludwig Boltzmann oli 1800-luvun termodynamiikan kärkinimi. Hän selvensi entropian käsitettä: hänen mukaansa entropia on suora seuraus atomien olemassaolosta. Tuohon aikaan atomeja ei ollut täysin hyväksytty kuvaamaan kaikkeuden rakennetta. Boltzmann osoitti myös termodynamiikan toisen pääsäännön olevan seurausta hiukkasten liikkeiden tilastollisista ominaisuuksista. Boltzmannin työt olivat aikanaan kiisteltyjä, mutta aikaa myöten työt johtivat uuden fysiikan haaran, statistisen fysiikan, kehittymiseen.
Boltzmann esitti teorioissaan, että maailmankaikkeus oli ajautumassa ajan mittaan tuhoon, koska kaikkeus pyrkii jatkuvasti epäjärjestykseen. Teoria oli Boltzmannin aikana kiistelty, sillä kaikkeuden tiedettiin olevan hyvin vanha ja aprikoitiin, miksei sitten kaikkeus ole epäjärjestyneempi mitä se todellisuudessa on. Boltzmann vastasi tähän, että äärettömän pitkän ajan kuluessa myös järjestys voi syntyä itsestään, tämä on tosin epätodennäköistä, mutta kuitenkin mahdollista. Vastaus ei ollut kovinkaan tyydyttävä tiedepiireissä sillä se tarkoittaisi sitä, että aika kuluu eri paikoissa eri tavalla ja tämä oli vastoin silloista käsitystä ajasta.
Röntgensäteily ja radioaktiivisuus
Saksalainen
Wilhelm Conrad Röntgen tuli tunnetuksi työstään sähkömagnetismin parissa. Hänen mukaansa nimetyt
röntgensäteet oli kuitenkin onnistuttu tuottamaan jo ennen häntä. Röntgenin löytö oli sattumaa. Hän teki vuonna
1895 kokeita
tyhjiöputkella tutkiessaan niin sanottuja
katodisäteitällalla, joita tutkittiin tuolloin lähes joka puolella maailmaa erittäinen paljon. Eräänä iltana pimeän tultua Röntgen peitti putken mustalla pahvilla, jotta voisi havaita paremmin putken tuottaman fluoresenssin. Yllätyksekseen hän huomasi jonkin matkan päässä putkesta pöydällä olleen bariumplatinosyanidi päällystetyn fluoresoivan levyn hehkuvan heikosti. Hehku voimistui, kun levy vietiin lähemmäs putkea ja heikkeni levyä loitonnettaessa. Röntgen oli varma, että hän oli kohdannut uuden energiamuodon, joka kykeni läpäisemään kiinteitä kohteita. Röntgen sai löydöstään historian ensimmäisen
Nobelin fysiikanpalkinnon.
}}
Ranskalainen Henri Becquerel teki myös suuren löydön, joka on mullistanut maailman energiantuotantoa. Hän löysi vuonna 1896 radioaktiivisuuden, muttei osannut selittää sitä. Tiedemaailma ei ollut Becquerelin havainnoista kiinnostunut, sillä löydön arveltiin olleen vain yksi valon esiintymismuoto. Ilmiöön alettiin uskoa vasta muutamai vuosia myöhemmin kun Pierre ja Marie Curie alkoivat tutkia sitä systemaattisesti. Curiet ja Becquerel saivat löydöstään Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1903m. Curiet havaitsivat, että kyseessä oli atomin ytimen sisäinen ominaisuus, joka johtui sen epästabiilisuudesta. Ytimen havaittiin olevan stabiili tietyllä neutroniäärällä; muut variaatiot hajoavat tietyllä nopeudella ja tämä hajonta aiheuttaa radioaktiivista säteilyä. Ilmiötä sovelletaan ydinreaktoreissa energian tuottamiseen. Löytö perusti täysin uuden fysiikan tutkimiseen keskittyneen haaran, ydinfysiikan.
Fysiikan tutkimisen uskottiin pian olevan ohi ja kaiken mahdollisen olevan selitetty fysiikan avulla. Myöhemmin osoittautui, että tämä usko oli harhaluulo ja lähes 300 vuotta vallinnut newtonilainen mekaniikka osoitettiin vääräksi.
Moderni fysiikka muuttaa käsityksen
Ihmisten tiede- ja fysiikkausko oli korkeimmillaan 1800-luvulla. Suuret läpimurrot sähkön tutkimisessa sekä muilla fysiikan aloilla saivat ihmiset luottamaan tieteeseen niin paljon, että siltä odotettiin vastausta kaikkiin ihmisen ongelmiin. Seuraavalla vuosisadalla mielipide kuitenkin muuttui nopeasti päinvastaiseksi, suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka veivät fysiikan maalaisjärjen ulottumattomiin, ja toinen maailmansota sekä Japaniin pudotetut ydinpommit muuttivat tieteeseen suhtautumista.
Fysiikassa heräsi varsinkin arjalaisuutta kannattaneiden vaikutuksesta uusi juopa. Nobel-palkitut Philipp Lenard ja Johannes Stark kampanjoivat päämääränään jakaa fysiikka terveeseen arjalaiseen ja epäterveeseen juutalaiseen fysiikkaan. Albert Einstein ja hänen suhteellisuusteoriansa katsottiin siten kuuluvan epäterveeseen luokkaan. Suomessa jakoa kannatti muun muassa silloinen Teknillisen korkeakoulun rehtori Hjalmar Mellin.[ }}]
Mittaustekniikka parani selvästi 1900-luvulla. Atomia pystyttiin tutkimaan entistä tarkemmin, mikä myös edisti kemian perusteiden tutkimista.
Muutos alkaa mustasta kappaleesta
Gustav Kirchhoff esitti ensimmäisenä ongelman koskien mustan kappaleen säteilemän säteilyn funktiosta. Hän ymmärsi, että funktio on olemassa, muttei itse keksinyt sitä
Fysiikka koki suuren murroksen 1900-luvun alkuvuosina. Merkittävä murroksen aiheuttaja oli Gustav Kirchhoffin ongelma mustan kappaleen säteilyn funktion muodostamisesta 1830-luvulla. Toinen merkittävä tieteen harha-askel, joka korjattiin 1900-luvulla oli valon käyttäytymisen selittäminen mekaniikan avulla. Oli syntynyt käsite eetteristä, väliaineesta jota pitkin valon uskottiin kulkevan samalla tavoin kuin ääni ilmassa. Eetterin ominaisuudet olivat kuitenkin ristiriitaisia: sen piti olla nestemäistä, jäykkää, taipuvaista, kovaa ja kitkatonta.
Planck: kvantittuminen
Mustan kappaleen säteily oli ollut ongelmana fyysikoille aina vuodesta 1862 lähtien. Mustan kappaleen säteilyä yritettiin selittää useilla erilaisilla laeilla, onnistumatta. Laeilla pystyttiin kuvaamaan säteilyä tietyllä aallonpituusvälillä, muttei suinkaan kaikilla. Heinrich Rubens ja Ferdinand Kurlbaum olivat keksineet jäännössäteilymenetelmän, joka antoi ensiarvoisen tärkeätä tutkimustietoa. Rubensin vierailessa Max Planckin luona Planck sai tietoja Rubensin tekemien mittausten tuloksista, ja näiden tietojen pohjalta Planck sai luoduksi toimivan lain mustan kappaleen säteilylle. Tämä vaati kuitenkin energiakäsitteen muuttamista. Planck kuvasi mustan kappaleen säteilyä aallonpituuden funktiona, jossa hän yhdisti Wilhelm Wienin ja Rayleigh-Jeansin teoriat kuvaamalla energian uudella tavalla: energia ei voinut olla jatkuvaa vaan se oli epäjatkuvaa, pienistä energiapaketeista koostuvaa.
Planck esitteli ideansa Saksan fyysikkoseuran jäsenille 14. marraskuuta 1900.
Einstein: annus mirabilis
Albert Einstein vuonna 1920
Saksalainen fyysikko, tuolloin patenttivirkailija, Albert Einstein laittoi fysiikan kivijalat koetukselle vuonna 1905; vuotta kutsutaan nimellä annus mirabilis (ihmeiden vuosi). Einsteinin julkaisi tuona vuonna viisi työtä, joista kolme mullisti maailmaa.
Ensimmäinen Einsteinin 'ihmevuoden' työ oli Heinrich Hertzin löytämän valosähköisen ilmiön selittäminen. Einstein käytti tässä apunaan Planckin teoriaa energian kvantittumisesta. Einsteinin mukaan valo voi irrottaa metalleista elektroneja, jos siinä on vain tarpeeksi energiaa. Tästä työstä Einstein sai vuonna 1921 Nobelin fysiikanpalkinnon. Valosähköistä ilmiötä käytetään hyödyksi muun muassa kameroissa ja valokennoissa.
Seuraavaksi Einstein selitti Brownin liikkeen. Englantilainen botanisti Robert Brown havaitsi 1800-luvulla, että siitepöly, tuhka ja muu hienojakoinen materiaali liikkuu epäsäännöllisiä ratoja pitkin nesteessä. Atomin käsite ei ollut tuolloin kovinkaan hyväksytty. Monien epäonnistuneiden yritysten jälkeen Einsteinin onnistui selittää ilmiö: epäsäännöllinen liike johtuu atomien lämpöliikkeestä. Lämpöliikkeessä atomit törmäilevät toisiinsa ja törmäily eri osiin on satunnaista. Törmäilyt saavat hiukkasen liikkeelle ja törmäysten määristä eri kohtiin liikuttaa hiukkasta satunnaisesti. Tämä oli vahva näyttö sille, että materiaali koostuu atomeista.
Kolmas merkittävä työ oli suppea suhteellisuusteoria. Einstein hylkäsi teoriassaan eetterikäsitteen sekä aiemman käsityksen liikkeestä ja ajasta. Fyysikot ajattelivat valon ja sähkön kulkevan väliaineessa, jota kutsuttiin eetteriksi. Einsteinin mukaan liike on suhteellista, eli tasanopeuksisen liikkeen nopeus riippuu siitä minkä suhteen nopeus mitataan. Autossa istuessaan ihminen on levossa autoon nähden, mutta jatkuvassa liikkeessä tiehen nähden. Tämä klassinen suhteellisuusteoria tunnettiin jo huomattavasti aiemmin. Einstein huomautti, että erityisesti sähkömagneettista kenttää kuvaavat luonnon lait ovat samat kaikilla tasaisessa liikkeessä olevilla kappaleilla. Esimerkiksi (lähes) valon nopeudella etenevä ihminen näkee aina kasvonsa edessään olevasta peilistä. Valon nopeus on vakio, joten se on sama kaikissa koordinaateissa huolimatta siitä, mikä on kappaleen nopeus - ja valon nopeus on myös suurin mahdollinen fysikaalinen nopeus. Klassisen fysiikan mukaan ajateltuna juoksija ei näe kasvojaan, koska hän juoksee valoaaltojen rinnalla eivätkä allot ehdi koskaan heijastua takaisin peilistä. Jotta ajatus toimisi, piti Einsteinin muuttaa ajan käsitettä: aika ei kulje kaikissa systeemeissä samalla tavalla. Muita seurauksia on muun muassa pituuden lyheneminen.
Muut Einsteinin ihmevuonnaan saavuttamat tulokset olivat Einsteinin väitöstyö, jossa hän laski sokerimolekyylin koon ja suppean suhteellisuusteorian laajennus, jossa esiteltiin kenties kuuluisin fysiikan kaava E=mc².
Thomson, Rutherford ja Bohr: atomimalli
Fysiikka ei ollut läheskään valmis, aineen pohjimmainen rakenne oli selvittämättä. Einstein oli todistanut kokeellisesti atomien olemassaolon, mutta se ei vielä riittänyt. J. J. Thomson oli jo vuonna 1897a havainnut kokeissaan elektronin. Seitsemän vuotta myöhemmin hän esitteli niin sanottua rusinapullamalli ('Thomsonin malli'), jossa elektronit olivat kiinni kimmoisessa atomissa kuten rusinat pullassa. Ernest Rutherford osoitti vuonna 1911, ettei Thomsonin malli ollut riittävä ja hän erotti atomista kaksi osaa: ytimen ja elektronipilven. Rutherfordin mallissa elektronit kiertävät tarkkoja ratoja, eivätkä ne voi muuttaa ratojaan. Malli ajautui ongelmaan, sillä se ei selittänyt atomien sähkömagneettista säteilyä. Tämän ongelman ratkaisi Niels Bohr, joka oli saanut postdoc-stipendin Englantiin, missä hän hakeutui Thomsonin laboratorioon Cambridgeen. Bohr kertoi suoraan Thomsonille, mitä hän ajatteli tämän atomimallista ja heidän suhteensa muuttui poleemiseksi. Vuotta myöhemmin Bohr pääsi töihin Rutherfordin laboratorioon, ja hän julkaisi oman atomimallinsa vuonna 1913.
Bohrin malli poikkeaa Rutherfordin mallista näkyvimmin siinä, että elektronit pystyivät siirtymään diskreettien ratojen välillä. Alin tila on vähäenergiaisin, ja energia nousee asteittain mitä suuremmaksi radan etäisyys ytimestä käy. Malli selittää atomien säteilemän sähkömagneettisen säteilyn elektronien siirtymisellä energiatasojen välillä. Elektronin siirtyessä suuremmalta tasolta pienemmälle elektroni säteilee ylimääräisen energian. Bohrin malli sisältää ajatuksia kvanttimekaniikasta, mutta se ei ole puhtaasti kvanttimekaaninen atomimalli. Bohrin mallin tiedetään olevan virheellinen, mutta sen yksinkertaisuuden takia sitä opetetaan edelleen kouluissa. Kvanttimekaniikan kehittyessä syntyi uusi atomimalli.
Nordström ja Einstein: painovoimateoria
Albert Einstein muutti maailmaa uudelleen vuonna 1915 julkaistessaan yleisen suhteellisuusteorianillill. Teoria keskittyy painovoiman syyn selvittämiseen. Einstein ei ollut kuitenkaan ainoa, joka 1910-luvun alussa pyrki selvittämään samaa asiaa. Suomalaisella Gunnar Nordströmä on huomattava osuus teorian kehityksessä. Nordströmin teoria oli ennen Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa paras vaihtoehto painovoiman selittämiselle. Einstein itse tutki Nordströmin teoriaa hyvin paljon. Nordströmin teoriaa voidaan kutsua yleisen suhteellisuusteorian skalaarimuotoiseksi edelläkävijäksi (yleisessä suhteellisuusteoriassa käytetään tensorilaskentaa). Nordströmin teoria ennusti muun muassa sen, ettei valo kaareudu painovoimakentässä.
Einsteinin ja Nordströmin kilpailevia teorioita oli tarkoitus testata Etelä-Venäjällä elokuussa vuonna 1914. Testausta ei koskaan tehty, sillä tutkimusryhmä kaapattiin. Einsteinin julkaisema yleinen suhteellisuusteoria ei aluksi vakuuttanut gravitaatiosta kiinnostuneita fyysikoita. Max von Laue piti vuonna 1917 Nordströmin teoriaa huomattavana kilpailijana Einsteinin teorialle. Kokeellinen todistus saatiin vuonna 1919 auringonpimennyksen aikana suoritetuista mittauksista, jotka kallistivat vaa'an Einsteinin teorian eduksi. Yleinen suhteellisuusteoria muuttaa myös ajan käsitystä. Suppeassa suhteellisuusteoriassa Einstein esitti ajan olevan suhteellista ja yleisessä hän laajentaa ajan käsitettä siten, että myös aika on paikallista.
de Broglie: aalto-hiukkasdualismi
Kvanttimekaniikan katsotaan syntyneen, kun ranskalainen fyysikko Louis de Broglie kehitti teoriaansa. Aiemmin havaitun valon aalto-hiukkasdualismin innoittamana de Broglie päätteli, ettei valo voi olla aineeseen verrattuna erikoistapaus. de Broglie väitti, että hiukkasilla, kuten protonilla ja elektronilla, esiintyy vastaavanlaista aalto-hiukkasdualismia eli hiukkasilla on sekä aallon että hiukkasen ominaisuudet. de Broglie esitti vuonna 1923 hiukkasen aallonopituudelle kaavan ?=h/p jossa ? on hiukkasen aallonpituus , h on Planckin vakio ja p on hiukkasen liikemäärä. Kokeellinen todistus tälle saatiin kolme vuotta myöhemmin.
Pauli: kieltosääntö
Itävaltalainen Wolfgang Pauli esitti vuonna 1925n teorian, jonka mukaan yhdessä kvanttitilassa ei voi olla kahta samanlaista elektronia. Sääntö tunnetaan Paulin kieltosääntöä. Pienin poikkeama syntyy elektronin spinien vastakkaisesta luvusta, muut kvanttitilat säilyvät samoina. Pauli itse vastusti spin-käsitettä, joka kuvaa hiukkasen 'pyörimistä'. Pyörimistä ei tule ymmärtää sellaisena kuin se tavanomaisesti ajatellaan – jos näin olisi, elektroni pyörisi kymmenkertaisella valonnopeudella akselinsa ympäri. Paulin kieltosääntö syntyi ongelmasta, jossa joka kahdeksas alkuaine oli samankaltainen. Pauli selitti tämän kieltosäännöllään.
Heisenberg: epätarkkuusperiaate
Werner Heisenberg on myös kvanttimekaniikan tärkeitä kehittäjiä. Heisenberg laati vuonna 1925 kvanttimekaniikan matriisiformalismin, mistä hän sai myös Nobelin fysiikanpalkinnon. Parhaiten Heisenberg tunnetaan epätarkkuusperiaatteen kehittämisestä. Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan hiukkasten tiettyjä observaabelipareja ei voida mitata äärettömän tarkasti niin, ettei toisen ominaisuuden mittaus karkeistuisi toisen tarkentuessa.
Schrödinger: aaltofunktio
Erwin Schrödinger oli kvanttimekaniikan pääarkkitehti
de Broglien ajatuksista kiinnostunut Erwin Schrödinger esitti vuonna 1926n formalismin, jossa hiukkasten paikkaa avaruudessa kuvataan todennäköisyysjakaumilla. Jakaumaa kuvaava aaltofunktio saadaan Schrödingerin yhtälö ratkaisuna. Myöhemmin huomattiin, että Heisenbergin matriisimekaniikka ja Schrödingerin aaltomekaniikka olivat saman asian eri esitysmuodot. Schrödinger muistetaan myös vuonna 1933 esittämästään Schrödingerin kissaparadoksista.
Born: todennäköisyystulkinta
Max Born oli myös 1920-luvun puolivälissä syntyneen kvanttimekaniikan perustajia. Hänen panoksensa kvanttimekaniikkaan oli niin sanottu todennäköisyystulkinta. Max Born esitti vuonna 1926, että aaltofunktio korotettuna toiseen potenssiin antaa todennäköisyysalueen, josta hiukkanen on löydettävissä. Tämän mukaan ei voida siis sanoa, että hiukkanen, esimerkiksi elektroni, on täsmälleen määrätyssä paikassa, vaan että sen löytämiselle tietystä paikasta on aina tietty todennäköisyys.
Dirac: antimateria
Paul Adrien Maurice Diracinin panostus kvanttimekaniikkaan on myös ollut merkittävä. Hänet muistetaan ehkä parhaiten antimaterian teoreettisesta löytämisestä. Paul Dirac kehitti vuonna 1928 suhteellisuus- ja kvanttiteorioita yhdistelleen elektronin käyttäytymistä kuvaavan yhtälön. Tämä ratkaisi kvanttimekaniikkaa piinanneen ongelman: kvanttimekaniikan mukaan oli olemassa hiukkasia, joiden nopeus oli lähellä valonnopeutta. Dirac huomasi kehittämässään yhtälössä oudon piirteen – se antoi kaksi vastausta. Yhtälö antoi kahdelle elektronille energiat, mutta toisen piti olla positiivisesti ja toisen negatiivisesti varautunut. Dirac päätteli tästä, että on olemassa antihiukkasia eli hiukkasia, jotka ovat muutoin identtisiä parinsa kanssa, mutta niillä on merkiltään päinvastainen varaus. Antielektroni löydettiinkin vuonna 1932.
Feynman, Stinger ja Tomonaga: kvanttikenttäteoria
Paul Dirac oli osallisena niin sanotun kvanttikenttäteorian synnyssä yritettyään kuvata sähkömagneettista kenttää kvanttien avulla. Merkittävin saavutus kuitenkin tehtiin 1948, kun Richard Feynman ja Julian Schwinger sekä heistä riippumatta Sin-Itiro Tomonaga kehittivät sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvaavan kvanttikenttäteorian eli QED:n. Teoria kuvaa aineen ja sähkömagneettisen kentän vuorovaikutusta. Kentän välittäjähiukkanen on fotoni. Kaikki muut perusvuorovaikutukset (perusvoimat) on saatu kuvatuksi kvanttikenttäteorioiden avulla paitsi gravitaatio, joka kuvataan yleisen suhteellisuusteorian avulla. Atomin rakennetta on saatu selvitetyksi entistä tarkemmin ja kokeellisesti on todistettu, että protonit ja neutronit koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista, kvarkeista. (Katso myös: Kvanttiteoria ja Hiukkasfysiikan standardimalli)
Fysiikan tulevaisuus
Suurimpia fysiikan ongelmia on gravitaation kvanttimekaaninen malli. Gravitaatiovuorovaikutuksen välittäjähiukkasta gravitonia ei ole toistaiseksi pystytty löytämään. Hiukkasen odotetaan kuitenkin löytyvän toukokuussa 2008 valmistuvalla LHC-hiukkaskiihdyttimellä. LHC-kiihdyttimeltä odotetaan myös vastauksia Higgsin bosoninin ja supersymmetria olemassaoloon. Kiihdyttimeltä odotetaan myös kokeellisia tuloksia säieteorian tueksi: vahvistusta useamman kuin tuttujen kolmen tilaulottuvuuden olemassaololle.
Pitkän aikavälin kysymys on: tuleeko fysiikka koskaan valmiiksi?
Lähteet
Viitteet
Aiheesta muualla
Fysikkens historie
Geschichte der Physik
Histoire de la physique
Fysikens historia
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
