Fysiikan historia
Antiikin Kreikka
Ajan hetkeä tai paikkaa, milloin ja missä fysiikka olisi syntynyt on mahdotonta selvittää tai määrittää. Tunnettu fysiikan historia ajoittuu vuosisataan 2400 eaa ja
Harappan sivilisaatioon. Tältä sivilisaatiolta on jäänyt merkkejä 10-järjestelmään pohjautuvasta mitta-asteikosta.
Toisaalta on löydetty myös todisteita siitä, että
neanderthalin ja
cro-magnonin ihminen olisivat tehneet tähtitieteellisiä havaintoja jo 30 000 vuotta sitten.
Länsimainen fysiikan ja tieteen synty ajoittuu antiikin Kreikkaan. Leukippos ja Demokritos synnyttivät ajatuksen aineen rakenteesta.[Eurooppalaisen ihmisen aikakirja s.25] Demokritos kannatti ajatusta, jonka mukaan maailmankaikkeus on muuttumaton ja ollut aina olemassa.
Aristoteleen työtä fysiikan ja tieteen parissa voidaan pitää erinomaisena, sillä hänen oppejaan käytettiin vielä 1600-luvulle asti.[Eurooppalaisen ihmisen aikakirja s. 98] Aristoteleen mielestä kaikella pitää olla luonnollinen syy. Hänen ajattelemansa fysiikka sisälsi myös luonnon filosofian. Aristoteles tutki paljon maailmankaikkeuden toimintaan, muotoon ja rakenteeseen liittyviä asioita. Hän kuvasi Empedokleen keksimille neljälle alkuaineelle niiden peruslaadut. Tuolloin kuvitellut alkuaineet olivat tuli, vesi, maa ja ilma.
Kreikkalainen filosofi Arkhimedes on tunnetuimpia antiikin tiedemiehiä Aristoteleen ohella. Hänet tunnetaan erityisesti matemaatikkonaeseeneseen, mutta Arkhimedes oli myös taitava fyysikko. Kerrotaan, että hän keksi nimeään kantavan nesteen noste liittyvän lakinsa ollessaan kylvyssä. Arkhimedes suunnitteli myös useita sotakoneita, kuten roomalaisten laivojen purjeita polttaneen linssin ja Arkhimedeen ruuvin.
Tieteen vallankumous
Galileo Galilei
Kreikkalainen kirjallisuus ja kulttuuri tuhoutui lähes täysin, kun arabit polttivat Aleksandrian kirjaston ja
Rooman valtakunta miehitti Kreikan. Tieteen ja fysiikan kehitys keskeytyi täydellisesti Euroopassa tuhannen vuoden ajaksi. Arabit elivät eristyksissä eurooppalaisista ja he keskittyivät kauppaan. Arabien ansiosta paljon tietoa on säilynyt antiikin Kreikasta. Arabeille suunnistaminen ja laskeminen olivat tärkeitä, joten tieteet olivat olennainen osa arabiyhteiskuntaa. 800-luvulla arabien tiedekeskukseksi kehittyi
Bagdad, jonne perustettiin
Viisauden taloksi kutsuttu korkeakoulu.
[ Eurooppalaisen ihmisen aikakirja, s. 53] Korkeakoulussa käännettiin kreikkalaisten tekstejä arabiaksi ja harjoitettiin omaa tutkimusta. Eurooppalaiset ja arabit olivat keskenään hyvissä väleissä ennen
ristiretkiä ja näin alun perin Kreikassa syntynyt tiede alkoi levitä uudelleen Eurooppaan Arabi-imperiumin laajetessa Pohjois-Afrikkaanan ja
Espanja.
Katolinen kirkko oli estänyt tieteen kehityksen 1600-luvulle asti, koska se oli kirkon oppien vastaista ja saattoi uhata kirkon asemaa. Vielä 1600-luvulle asti tiede oli peräisin Raamatusta tai Aristoteleen mukaisia oppeja. Ennen valistusaikaa oletettiin kaiken tottelevan Aristoteleen oppeja. Edes Auringonpilkkuja ei hyväksytty olevaksi olemassa, vaikka niistä oli suorat kokeelliset havainnot, sillä perusteella, ettei Auringon pilkuista ollut mainintaa Aristoteleen teoksissa.[Eurooppalaisen ihmisen aikakirja s. 98]
Sir Isaac Newton
Loppujen lopuksi kirkon vallan rapistuminen aloitti tieteellisen vallankumouksen, jonka katsotaan alkaneeksi vuonna 1543, jolloin Nikolaus Kopernikus julkaisi De revolutionibus orbium coelestium -teoksen. Kopernikus kuoli pian julkaisemisen jälkeen. Katolisen kirkon vallan murenemiseen vaikutti kirjapainon kehittäminen ja kirkon sisäiset ongelmat.
Yhtenä suurimpana fyysikkona pidetty Galileo Galilei vastusti näyttävästi kirkon oppeja. Galilei loi pohjan klassiselle fysiikalle ja häntä kutsutaan usein klassisen fysiikan isäksi. Galilei teki paljon liikkeeseen liittyviä tutkimuksia. Yksi kuuluisimmista kokeista on Galilein pudottamat eri painoiset painot Pisan kaltevasta tornista. Galilei huomasi mittaustensa ja Aristoteleen oppien välillä ristiriidan: kappaleiden putoamisaika ei riipu kappaleiden massasta. Galilei kehitti myös nykyisen tieteellisen menetelmän, jonka mukaan teorian ja kokeiden pitää olla sopusoinnussa. Muita Galilein aikalaisia olivat Christiaan Huygens, Johannes Kepler ja Blaise Pascal. Samalla vuosisadalla termodynamiikkaa alkoi kehittyä nopeasti. Termodynamiikan isänä voidaan pitää Otto von Guericke, joka kehitti 1650-luvulla ensimmäisen tyhjiöpumpun.[Fysiikka 2-3 s. 8] Termodynamiikkaa kehittivät von Guericken jälkeen muun muassa Thomas Young ja Robert Boyle.
Tieteen vallankumous kulminoitui vuoteen 1687, jolloin Isaac Newton julkaisi teoksensa Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Teoksessaan Newton esittelee liikelakinsa, johon klassinen mekaniikkalakinsa perustuu. Principiassaan Newton esittelee painovoima sekä muutaman teorian koskien virtausdynamiikkaa.
Vuonna 1738 Daniel Bernoulli julkaisi teoksensa Hydrodynamica, joka käsitteli statiikan teoriaa ja nesteiden liikkeitä. Samalla teos loi pohjan kineettiselle kaasuteorialle. Kuusikymmentä vuotta myöhemmin Benjamin Thompson havainnollisti kuinka työksiksi muuttuu energia ja vuonna 1847 James Jouleenergiaksi esitteli lain mekaanisen energian muuntumisesta lämpö. Tätä aiemmin klassista mekaniikkaa muokkasivat ja laajensivat erityisesti Leonhard Euler, Joseph-Louis Lagrange, William Rowan Hamilton ja monet muut, jotka tekivät uusia löytöjä teoreettisen fysiikan alalla.
Fysiikan suurimpiin tutkimusalueisiin kuului 1800-luvulla sähkö. Robert Boylenn, Stephen Gray ja Benjamin Franklinin 1600- ja 1700-luvulla tehdyt tutkimukset koskien sähköä antoivat edellytykset sähkön tutkimiselle. Nämä tutkimukset johtivat sähkövirran ja jännitteen havaitsemiseen. Vuonna 1808 John Dalton esitti epäsuorasti mallin, joka viittasi atomien olemassaoloon.[}}]
Englantilainen fyysikko Michael Faraday esitteli näkemystä magnetismin ja sähkön yhdistämiselle. Tätä hän havainnollisti liikuttelemalla magneettia johtimen ympärillä siten, että johtimeen indusoitui jännite.
Skotlantilainen James Clerk Maxwell esitteli 1800-luvulla yhtälönsä, joissa hän kuvaa sähkö- ja magneettikenttiä sekä niiden vuorovaikutusta. 1800-luvun lopulla saksalainen Wilhelm Röntgen löysi röntgensäteilyn ja sai havainnostaan ensimmäisen Nobelin fysiikanpalkinnon.
Ihmisen usko fysiikkaan ja muihin tieteisiin kohosi nopeasti huippuunsa. 1800-luvulla tehdyt valtavat löydöt saivat ihmiset uskomaan tieteeseen ja siihen, että tiede ratkoo kaikki ihmisten ongelmat tulevaisuudessa.
Moderni fysiikka
Albert Einstein
1900-luvun alussa huomattiin, ettei silloin tunnettu fysiikka kuvaa tarpeeksi tarkasti tunnettua luontoa. Vuonna
1900 Max Planckin kehitti
Gustav Kirchhoff ajatusten ja
mustan kappaleen säteilyä koskevien tutkimustulosten pohjalta idean, jonka mukaan säteilyenergia koostuu pienistä yksiköistä,
energiakvanteista.
[Albert Einstein Elämäkerta s. 127] Yksittäisen kvantin energia saadaan kertomalla säteilyn
taajuus eräällä yleisellä luonnonvakiolla, Planckin vakiolla.
Viisi vuotta myöhemmin
Albert Einstein julkaisi tutkimuksen, jossa hän Planckin ideaa apuna käyttäen selitti
valosähköisen ilmiön. Einstein julkaisi samana vuonna myös
suppean suhteellisuusteorian ja selitti
Brownin liikkeen, jota oli pyritty selittämään useaan otteeseen ennen Einsteinia. Albert Einstein oli merkittävä hahmo modernissa fysiikassa; päätöidensä lisäksi hän oli mukana kehittämässä kvanttimekaniikkaa.
Vaikka fysiikalla on usean tuhannen vuoden historia, fyysikot eivät olleet 1900-luvun alussa vieläkään yhteisymmärryksessä aineen rakenteesta. Tuolloin vallitsevana mielipiteenä oli samankaltainen kuin Demokritoksen aiemmin esitetty idea. Fyysikot totesivat, että aine koostuu atomeista. Ennen 1900-lukua J. J. Thomson suunnitteli kokeen, joka vaikutti käsitykseen atomien rakenteesta. Kokeessa havaittiin, että katodisäteet koostuivat negatiivisesti varautuneista hiukkasista, elektroneista.[}}]
Modernin fysiikan ja klassisen fysiikan taitteessa Pierre Curie ja Marie Curie havaitsivat, että jotkin aineet olivat radioaktiivisia.
Uusiseelantilainen fyysikko Ernest Rutherford löysi vuonna 1911 atomin ytimen pommittaessaan alfa-hiukkasia ohutta kultalevyä kohti. Rutherford totesi useimpien hiukkasten menevän kultalevystä läpi, mutta yllätyksekseen hän havaitsi, että osa hiukkasista sirosi takaisin päin. Tästä hän päätteli, että suurin osa atomin massasta sijoittuu hyvin pieneen ytimeen, jossa on positiivisesti varautuneita hiukkasia, protoneja.
Tanskalainen Niels Bohr oli yksi suurimmista kvanttiteorian kehittäjistä ja puolestapuhujista. Bohr esitteli vuonna 1913 mallin atomin rakenteesta. Bohrin mallin mukaan elektronit sijoittuvat ytimen ympärille radoille, joiden energia kasvaa sitä suuremmaksi, mitä kauemmaksi ytimestä mennään. Malli ei kuitenkaan vastannut todellisuutta kovinkaan hyvin, ja myöhemmin malli korvautui kvanttimekaanisella atomimallilla, jonka mukaan elektronit eivät sijaitse tietyssä avaruuden pisteessä vaan ne sijaitsevat tietyllä todennäköisyydellä tietyssä pisteessä.
Kun kvanttiteorian mukaan valolla on sekä aalto- että hiukkasluonne, sai Louis de Broglie vuonna 1924 aiheen olettaa, että samoin on elektronien ja muidenkin alkeishiukkasten laita. Oletus osoittautui oikeaksi ja on kvanttimekaniikan perustana. Kvanttimekaniikan suurimpia kehittäjiä olivat muun muassa Erwin Schrödinger, Paul Dirac ja Werner Heisenberg.
1900-luvun puolivälissä kvanttimekaniikan käsitteitä kehitettiin edelleen ja syntyi niin sanottu kvanttikenttäteoria. Kvanttikenttäteorian alullepanijoita olivat Richard Feynman, Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga ja Freeman Dyson. Edellä mainitut henkilöt laittoivat alulle kvanttisähködynamiikan, joka kuvaa sähköisesti varattujen hiukkasten vuorovaikutustapahtumia ja selitti Lambin siirtymän. Kvanttikenttäteoria tarjosi viitekehyksen hiukkasfysiikan kehittymiselle.
Ydinfysiikan ja muun fysiikan kehityksellä oli oma merkityksensä toisessa maailmansodassa. Monet Euroopasta Yhdysvaltoihin muuttaneet fyysikot sekä Yhdysvalloissa asuvat fyysikot liittyivät Manhattan-projektiain ja olivat mukana kehittämässä atomipommi. Yhdysvallat pudotti kaksi atomipommia Japaniin vuonna 1945. Tämä sai Japanin antautumaan ja toinen maailmansota loppui. Nähtyään aiheutuneen tuhon monet Manhattan-projektiin osallistuneet fyysikot katuivat osallisuuttaan kärsimysnäytelmään ja sodan jälkeen vuonna 1955n useat kuuluisat fyysikot, Einstein mukaan luettuna, allekirjoittivat Russellin–Einsteinin manifesti, joka varoitti maailman johtajia ydinpommien vaaroista.
Erwin Schrödinger
Chen Ning Yang ja Tsung-Dao Leen huomasivat tutkimuksissaan 1950-luvulla epäsymmetriaa hiukkasten hajoamisessa. Tutkimukset johtivat seuraavien vuosikymmenien aikana ydinvoimien tutkimiseen ja niiden parempaan ymmärtämiseen. Tämä johti standardimalli luomiseen 1970-luvulla.
Yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan ristiriitaisuus johti säieteorian ja supersäieteorian syntymiseen. Supersäieteoria on yksi lupaavimmista teorioista yhdistää gravitaatio ja muut perusvuorovaikutukset.
Yhdistyneet kansakunnat julisti vuoden 2005 fysiikan vuodeksi.
Tulevaisuus
olemassaoloon.]]
Fysiikassa on monia toistaiseksi selvittämättömiä ongelmia. Yhdeksi suurimmaksi ongelmaksi on osoittautunut gravitaation selittäminen. Gravitaation uskotaan aiheutuvan
gravitoni-hiukkasesta, mutta kokeellisesti hiukkasta ei ole vielä pystytty havaitsemaan. Fysiikan tutkimuksen kannalta yhdeksi mielenkiintoisimmaksi odotuksen aiheeksi on noussut
LHC-hiukkaskiihdytin, jonka toivotaan antavan vastaus muun muassa sille, mitä massa pohjimmiltaan on.
Fysiikan osa-alueet
Fysiikkaa jaotellaan tavallisimmin sen historiallisen kehityksen pohjalta erinäisiin osin toisiinsa limittyviin tutkimusaloihin. Tätä jaottelua käytetään muun muassa fysiikan opetuksessa. Osa-alueita muodostuu myös tietyn mittakaavan tai menetelmän perusteella, kuten laskennallinen fysiikka tai
astrofysiikka. Itse fysikaaliseen tietämykseen ja siten luontoon pohjautuvaa jaottelua ei ole.
Historiallinen jaottelu
Fysiikan perusteoriat voidaan karkeasti jakaa
klassiseen ja
moderniin fysiikkaan. Näiden termien määritelmät vaihtelevat. Rajatuimman näkemyksen mukaan modernia on vain
kvanttifysiikka ja sille läheiset aiheet. Yleisesti kuitenkin myös
suhteellisuusteoria lasketaan moderniksi fysiikaksi. Laajemman niin sanotun historiallisen näkemyksen mukaan modernia fysiikkaa on kaikki 1900- ja 2000- luvulla tehty fysiikka.
Yleensä klassisessa fysiikassa keskitytään ihmisen mittaskaalan ilmiöihin, modernissa joko paljon pienempiin, paljon suurempiin tai vastaavasti paljon kylmempiin tai paljon kuumempiin eli energeettisempiin ilmiöihin. Monet tärkeät klassiset ilmiöt, esimerkiksi gravitaatio eli painovoima, tai yhteyttämisen fysikaaliset perusteet pystytään selittämään täsmällisesti vain modernin fysiikan avulla. Itse asiassa minkä tahansa ilmiön täsmälliseen selittämiseen tarvitaan modernia fysiikkaa, sillä klassinen fysiikka on moderniin fysiikkaan nähden niin sanottu efektiivinen, 'keskiarvoistettu' malli. Yleisen suhteellisuusteorian osalta klassisten teorioiden toimivuus on helppo ymmärtää: se seuraa Lorentz-muunnoksen merkityksettömyydestä pienillä nopeuksilla, kun nimittäjä on miltei yksi. Kvanttifysiikan osalta tilanne on monimutkaisempi. Klassisten lakien nouseminen kvanttifysiikasta on dekoherenssin ansiota.
Klassinen fysiikka
Klassinen mekaniikka
Klassinen mekaniikka on pitkälti Isaac Newtonin muotoilema ja joskus myös Newtonin mekaniikaksi kutsuttu ala, joka kuvaa makroskooppisia kappaleita ja niiden liikkeitä. Klassisessa mekaniikassa kuvataan kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia, jotka perustuvat kappaleiden massaan, sekä näiden vuorovaikutusten aikaansaamia liikkeitä. Nykytietämyksen mukaan klassinen mekaniikka ei pidä paikkaansa suurilla nopeuksilla, jotka lähentelevät
valonnopeutta tai pienen kokoluokan, atomitason, ilmiöille.
Se kuitenkin kuvaa hyvin tarkasti tavanomaisia ilmiöitä.
Klassisen mekaniikan liikettä kuvaavat koordinaatistojärjestelmät voidaan jakaa karkeasti kahtia inertiaalikoordinaatistoon ja epäinertiaalikoordinaatistoon. Inertiaalikoordinaatisto on koordinaatisto, jossa Newtonin lait ovat voimassa. Newtonin ensimmäisen lain mukaan kappale on levossa tai tasaisessa liikkeessä ellei siihen vaikuta ulkoisia voimia. Inertiaalikoordinaatisto on ideaalinen koordinaatisto, jota ei voi käytännössä olla olemassa. Kahdessa toistensa suhteen liikkuvassa inertiaalikoordinaatistossa on mahdotonta sanoa kumpi koordinaatisto on liikkeessä ja kumpi levossa eli kaikki inertiaalikoordinaatistot ovat keskenään samanarvoisia. Kahden inertiaalikoordinaatiston välinen siirtymä tehdään Galilei-muunnosta apuna käyttäen. Epäinertiaalisessakoordinaatistossa vaikuttavat Newtonin lakien mukaisten voimien lisäksi niin sanotut näennäisvoimat.
Klassinen mekaniikka voidaan jakaa kolmeen alaan, jotka tutkivat hieman eri asioita. Nämä alat ovat kinematiikka, dynamiikka ja statiikka. Kinematiikka tutkii kappaleen liikettä huomioimatta kappaleen massaa tai liikkeen aiheuttavia syitä. Liikettä kuvataan puhtaasti geometrisesta näkökulmasta. Dynamiikka tutkii liikettä liikkeen aiheuttavien voimien näkökulmasta. Peruslakeina ovat Newtonin kehittämät mekaniikan peruslait. Statiikka eli tasapaino-oppi tutkii levossa olevia kappaleita ja voimia, joilla ne vaikuttavat toisiinsa.
Kaasuja ja nesteitä tutkivia mekaniikan haaroja kutsutaan omilla nimillään. Nesteitä tutkivaa mekaniikan haaraa kutsutaan hydromekaniikaksi. Tämä sisältää hydrostatiikan ja hydrodynamiikan. Kaasujen mekaniikkaa tutkiva mekaniikan ala on nimeltään aeromekaniikka. Ala sisältää aerodynamiikan ja aerostatiikan.
Klassinen mekaniikka jaetaan myös sen matemaattisen lähestymistavan mukaan omiksi haaroiksi. Näitä haaroja kutsutaan nimillä: Newtonin mekaniikka, Lagrangen mekaniikka ja Hamiltonin mekaniikka. Newtonin kehittäessään mekaniikkaansa, oli Galileo Galilein kehittämällä Galilein mekaniikalla suuri merkitys.
Sähkömagnetismi
Lamput ovat arkipäiväinen sähkömagnetismin sovellutus
Sähkömagnetismi kuvaa varautuneiden hiukkasten vuorovaikutuksia. Se pohjaa James Clerk Maxwellin
yhtälöille, jotka kuvaavat varautuneiden hiukkasten ja niiden aikaansaamien
kenttien välisiä vuorovaikutuksia. Sähkömagnetismi liittää magneettiset ja sähköiset ilmiöt yhteen. Sähkömagnetismi on varhaisimpia esimerkkejä fysikaalisesta yhtenäisteoriasta. Sähkömagnetismilla on historiallinen merkitys suhteellisuusteorian synnyn kannalta. Sähkö ja magnetismi sekä niiden useat sovellutukset ovat osa
nyky-yhteiskunnan perustarpeista.
Sähkön ja magnetismin kytkeytymistä hyödynnetään muun muassa sähkön tuotannossa. Sähkön käyttö energialähteenä perustuu muutamiin perussovellutuksiin, jotka mahdollistavat sähkön tuottamisen mekaanisesta liikkeestä generaattorilla ja muuttamisen mekaaniseksi liikkeeksi sähkömoottorilla. Yksinkertaisin magnetismin sovellutus on kuitenkin kompassi, jonka toiminta perustuu kestomagneetin suuntautumiseen Maan magneettikentässä. Magneetteja hyödynnetään sähkön tuotannon lisäksi myös useissa tiedontallennusvälineissä kuten kiintolevyissä. Toisaalta hyvin kookkaita ja voimakkaita magneetteja tarvitaan esimerkiksi hiukkasfysiikassa hiukkaskiihdyttimissä ja lääketieteessä magneettikuvauksissa. Voimakkaita magneetteja tarvitaan myös fuusioreaktoreissa plasman ohjailuun. Yksi fuusioreaktoreiden suurimmista haasteista onkin onnistua luomaan oikeanlainen magneettikenttä reaktorin sisälle.
Termodynamiikka
Termodynamiikka eli lämpöoppi tarkastelee lämpöenergiaan ja lämpötilaan liittyviä luonnonilmiöitä sekä mekaanisen energian suhdetta näihin. Aineen ominaisuuksia, erityisesti nestejeniden ja
kaasu, kuvataan makroskooppisilla tilanmuuttujilla. Näitä niin sanottuja tilasuureita ovat lämpötila, paine, tilavuus ja sisäenergia. Tilasuureet määritellään riippumattomiksi aineen rakenteesta, joten termodynamiikka on hyvin yleispätevä fysiikan haara.
[http://butler.cc.tut.fi/~trantala/opetus/files/Misc/LO.A4.pdf] 
Termodynamiikka tutkii erityisesti
lämpöä, energiaaa,
lämpötila ja työtä. Lämpöopin hallitseminen on tärkeässä roolissa yhteiskunnassa. Eri energiantuotantotavat pohjautuvat läheisesti termodynamiikkaan. Lämmön siirtyminen on tärkeä osa termodynamiikkaa. Monet laitteet perustuvat lämmönsiirtymiseen. Lämmönsiirtymistä käytetään hyväksi muun muassa ydinvoimaloiden
lauhduttimissavoimaloissavoimaloissa ja
kaukolämpö. Yhdessä
ydinfysiikan ja sähkömagnetismin kanssa alat luovat maapallon energiatalouden selkärangan.
Termodynamiikka on hyödyllinen apuväline myös muissa tieteissä. Termodynamiikan avulla voidaan selventää maantieteessä Maan litosfäärilaattojen liikkeet ja vastaavasti taas meteorologiassa tuulen synty. Sairaaloissa hyödynnetään eri instrumenttien desinfioinnissa paineen ja lämpötilan suhdetta. Suurentamalla painetta saadaan veden kiehumispistettä nostettua ja näin saadaan mahdolliset taudin aiheuttajat tuhottua. Eri tieteen alojen lisäksi lämpöoppi on hyödyllinen apuväline arkipäiväisten ilmiöiden selittämisessä.
Lämpöopin tärkeimpiin teorioihin kuuluu niin sanottu kineettinen kaasuteoria. Teoria perustuu matemaattiseen malliin kaasusta, ideaalikaasuun. Ideaalikaasun avulla voidaan havainnollistaa kaasujen käyttäytymistä tilavuuden, lämpötilan ja paineen muutoksissa. Toinen termodynamiikan ilmiöitä selittävä fysiikan ala on statistinen mekaniikka.
Yhdeksi merkittäväksi tutkimuskohteeksi on noussut myös hyvin alhaisten lämpötilojen tutkiminen. Niillä on oma merkityksensä esimerkiksi suprajohteiden tutkimuksessa. Espoossa sijaitsevan Teknillisen korkeakoulun Kylmälaboratoriossa tehtiin vuonna 2000 kylmyysennätys kun lämpötila saatiin pudotettua vain 0,000 000 000 1 kelvinasteen (100 pK) päähän absoluuttisesta nollapisteestä.[http://www.tiede.fi/uutiset/uutinen.php?id=208]
Optiikka
Optiikka eli valo-oppi tutkii valoa ja valon käyttäytymistä väliaineissa sekä rajapinnoissa. Optiikka ja sähkömagnetismi ovat läheisessä suhteessa toisiinsa nähden koska näkyvä valo on osa
sähkömagneettisen säteilyn spektriässss. Valo-opin perusperiaatteisiin kuuluu valon äärellinen nopeus, joka on
tyhjiöä vakio
valonnopeus. Optiikkaan kuuluu myös muiden aalto-opillisten ilmiöiden tutkiminen. Optiikka tutkii muun muassa valon
taittumista,
taipumista,
heijastumistatata ja
polarisaatio.
Perinteisesti valon taittumista hyödynnetään linsseissä, joihin perustuu muun muassa mikroskooppien, silmälasien, kaukoputkien toiminta. Uudemmista sovellutuksista optiset kuidut ovat esimerkki valon kokonaisheijastumisen hyötykäytöstä. Optiset kuidut ovat uusimpia tärkeimmistä optiikan sovellutuksista; valokaapeleita käytetään hyvin paljon tiedonsiirrossa.
Tällä hetkellä optiikan osaaminen on maailman kärkiluokkaa Suomessa. Vuonna 2004 Tuorlan observatorioon tuotiin hiottavaksi maailman suurin avaruuspeili, joka on osa ESAn Herschel-satelliittia. Hiominen on erityisen tarkkaa sillä pienetkin virheet tuhoaa kalliin projektin.
Akustiikka
Akustiikka eli äänioppi on äänen etenemiseen, tuottamiseen ja havaitsemiseen keskittynyt fysiikan ala.
Ääni ja valo voidaan molemmat kuvata aaltoliikkeenä. Kuten valo, ääni voi heijastua ja taittua rajapinnoista. Toisin kuin valo, ääni tarvitsee kuitenkin edetäkseen väliaineen, sillä se on atomien ja molekyylien mekaanista liikettä.
Akustiikan oppeja käytetään tilojen äänimaailman suunnittelussa. Suurten teatteri- ja oopperanäyttämöiden suunnittelussa akustiikalla on suuri merkitys jotta näytöksen kaikki katselijat kuulisivat äänen hyvin riippumatta istumapaikasta. Suurten tilojen ongelmana on yleensä myös kaiku eli äänen heijastuminen. Kaikua voidaan vähentää erilaisten materiaalien avulla.[Lämpö – Aallot 2-3 s. 213]
Akustiikalla on merkitys myös kuulovaurioiden ehkäisemisessä sekä melutason mittaamisessa. Akustiikan mukaan melu on ääntä, joka on haitallista, häiritsevää tai vahingollista. Akustiikka sovelletaan myös lääketieteessä sekä rakennusvirheiden tutkimiseen. Etenkin lääketieteessä ääntä pyritään käyttämään mahdollisimman paljon, ja ionisoivan säteilyn käyttöä on pystytty vähentämään ultraäänentutkimuksissatutkimuksissa avulla. Ultraääntä hyödynnetään esimerkiksi sikiö, nivelvaurioiden hoidossa, hammaskiven poistossa ja instrumenttien puhdistuksessa.[Lämpö – Aallot 2-3 s. 222]
Moderni fysiikka
Suhteellisuusteoria
Vuoden 1919 auringonpimennyksessä tehtiin yksi ensimmäisistä yleistä suhteellisuusteoriaa testaavia kokeita
Suppea ja yleinen suhteellisuusteoria kuvaavat toistensa suhteen suurella nopeudella liikkuvien koordinaatistojen (havainnoitsijoiden) välisten havaintojen suhdetta, esimerkiksi samanaikaisuuden käsitettä. Yleinen suhteellisuusteoria myös selittää
painovoiman avaruuden
geometriseksi ominaisuudeksi. Suhteellisuusteoria poikkeaa klassisesta mekaniikasta hyvin paljon. Suhteellisuusteorioiden mukaan aika sekä avaruus ovat suhteellisia ja riippuvat nopeuksista. Toisin kuin klassisessa mekaniikassa, suhteellisuusteorioiden mukaan mikään koordinaatisto ei ole erityisasemassa toisiin nähden.
Suhteellisuusteoria syntyi sähkömagnetismin pohjalta.
Erikoinen suhteellisuusteorian mukaan liikkeessä olevan kappaleen aika käy hitaammin kuin levossa olevan. Tämä tunnetaan aikadilaationa. Levossa olevan ja liikkeessä olevan kappaleen välinen aikaero on laskevissa Lorentz-muunnosta apuna käyttäen. Vastaavanlainen ilmiö on havaittavissa pituuden suhteen. Pituus pienenee suurissa nopeuksissa. Pituus pienenee vain siinä suunnassa johon liikekin suuntautuu. Pituuden pieneneminen tunnetaan pituuskontraktiona. Nämä erot ovat lähes olemattomia normaaleissa nopeuksissa, joten normaalissa elämässä ilmiöitä ei voi havaita.
Siinä missä erikoinen suhteellisuusteoria on ristiriidassa Newtonin liikelakien kanssa on yleinen suhteellisuusteoria ristiriidassa kvanttimekaniikan kanssa.
Kvanttimekaniikka
Kvanttimekaniikka laajentaa klassisen fysiikan kuvausta
hiukkasten ja
kenttien välisestä vuorovaikutuksesta eli alueelle, jossa klassinen mekaniikka ei enää päde. Tärkeitä ominaisuuksia kvanttimekaniikassa ovat hiukkasten
aallon-omaiset interferenssi-ilmiöt, vastaavasti
kenttien hiukkastyyppiset ominaisuudet kuten
kvantittuminen, ja samantyyppisten hiukkasten tai aaltojen
lomittuminen. Näitä ominaisuuksia tavataan yleensä erityisesti
alkeishiukkasilta, mutta myös hiukkasten ryhmittymät voivat käyttäytyä kvanttimekaanisesti yhtenä kollektiivisena joukkona.
Kvanttimekaniikka syntyi Max Bornin ja hänen työryhmän tutkimustuloksena, kun he yrittivät löytää syytä elektronin epäjohdonmukaiselle käyttäytymiselle.
Atomin todellisen rakenteen kuvauksen pohjana käytetään kvanttimekaniikka. Kvanttimekaanisen atomimallin, jossa elektroneja käsitellään aaltoina eikä hiukkasina, avulla kuvataan muun muassa elektronien järjestäytyminen atomin orbitaaleillenn. Kvanttimekaniikka ennustaa myös niin sanotun antimateria olemassaolon. Tämä on suora seuraus Diracin yhtälöstä. Tämä on kokeellisesti todistettu oikeaksi päätelmäksi. Kvanttimekaniikka on onnistunut selittämään kaikki muut luonnon perusvuorovaikutukset paitsi gravitaation.
Kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria voivat kuulostaa järjen vastaisilta. Kvanttimekaniikka ennustaa monia asioita, joita voidaan pitää täysin järjettöminä. Esimerkiksi kvanttisuperpositio on tällainen. Kuuluisin ajatuskoe kvanttisuperpositiosta on Schrödingerin kissa, jonka mukaan kissa voi olla samaan aikaan kuollut ja elossa tai atomin ydin voi olla hajonnut tai ei-hajonnut. Tämä erottaa kvanttimekaniikan ja klassisen mekaniikan toisistaan erittäin selvästi.
Kun on kysymys kappaleista, joiden energiat ovat niin suuria, että niiden rinnalla Planckin vakio voidaan pyöristää nollaksi, kvanttimekaniikka johtaa kuitenkin samoihin tuloksiin kuin klassinen fysiikka. Samaan tapaan suhteellisuusteoria johtaa klassisen fysiikan kanssa yhtäpitäviin tuloksiin silloin, kun kaikki nopeudet ovat paljon valonnopeutta pienempiä.
Tutkimuskohteen mukainen lajittelu
Hiukkasfysiikka
Taiteilijan näkemys heliumatomin rakenteesta
Hiukkasfysiikka tutkii aineen perimmäistä rakennetta eli
alkeishiukkasia. Hiukkasfysiikan tutkimuksissa käytetään suuria
hiukkaskiihdyttimiä, joiden avulla törmäytetään suurella nopeudella kulkevia hiukkasia toisiinsa. Törmäyksissä syntyy uusia hiukkasia, joiden perusteella pyritään todentamaan vallalla olevia teorioita aineen rakenteesta. Hiukkasfysiikkaa kutsutaan usein myös nimellä suurenergiafysiikka johtuen tutkittavien hiukkasten suuresta energiasta.
Hiukkasfysiikka ja kosmologia pyrkivät etsimään vastauksia perustavaa laatua oleviin kysymyksiin: mitä maailmankaikkeuden syntyhetkellä tapahtui, miten aine on syntynyt, ja miten aine käyttäytyy suurissa lämpötiloissa ja tiheyksissä (esimerkkinä alkuräjähdys ja mustat aukot)?
Teoreettisesti hiukkasfysiikka nojautuu kvanttimekaniikkaan ja suppeaan suhteellisuusteoriaan. Hiukkasfysiikan pohjana on 1970-luvulla kehitetty niin sanottu standardimalli, jonka tarkoituksena on kuvata aineen vuorovaikutuksia rakennetta. Standardimallilla on tiettyjä heikkouksia, joista johtuen teoreetikot yrittävät edelleen löytää parempaa teoriaa. Standardimalli sisältää kuitenkin kaikki muut vuorovaikutukset paitsi gravitaatioinn.
Säieteorioista toivotaan modernin fysiikan uutta aineen rakenteen teoriaa. Sen mukaan hiukkaset koostuvat pienen pienistä värähtelevistä energiakuiduista, säikeistä. Säieteoriat ovat ehdokkaita niin sanotuksi suureksi yhtenäisteoriaksi, joka yhdistäisi kaikki vuorovaikutukset. Teoriat ovat kuitenkin hyvin kiistanalaisia, sillä sitä on vaikea osoittaa oikeaksi tai vääräksi nykyisillä mittausmenetelmillä.
Ydinfysiikka
Ydinfysiikka tutkii atomin ydintä ja ytimien hajoamista. Ydinfysiikassa, kuten hiukkasfysiikassa, ydintä tutkitaan hiukkaskiihdyttimien avulla. Ydinfysiikassa käytetyt kiihdyttimet ovat useimmiten paljon pienempiä. Keskeisiä tutkimuskohteita ydinfysiikassa on
radioaktiivisuus.
Ydinfysiikka käytännön elämän tärkeimmistä fysiikan haaroista. Ydinfysiikan tutkimukset mullistivat koko energiatalouden ja energiantuotannon; energiaa pystyttiin tuottamaan fission avulla aiempaa enemmän. Ennen ydinfysiikan valjastamista yhteiskunnalliseen, rauhanomaiseen, käyttöön sitä hyödynnettiin sotatoimissa. Ensimmäinen sotilaskäytössä ollut atomipommi tiputettiin 6. elokuuta 1945 Hiroshimaan ja kolmea päivää myöhemmin Nagasakiin. Ydinfysiikalla on kuitenkin paljon rauhanomaisia sovellutuksia lääketieteessä ja muilla aloilla.
Ydinfysiikan odotetaan mullistavan uudelleen energiateollisuuden, kun ensimmäiset hallitut fuusioreaktorit saadaan kaupalliseen käyttöön. Nykyisessä fissioreaktiossa tuotetaan energiaan ketjureaktion avulla, jossa raskaita atomin ytimiä halkaistaan pienemmiksi. Fuusion voidaan ajatella olevan täysin päinvastainen reaktio, sillä reaktiossa yhdistetään kaksi kevyttä atomin ydintä yhteen. Fuusio tullaan toteuttamaan vedyn ja vedyn isotooppien avulla. Toistaiseksi ongelmana on saada fuusioreaktio tuottamaan energiaa enemmän kuin se kuluttaa. Kaupallisten fuusioreaktoreita ei odoteta ennen vuotta 2050, mutta fossiilisten polttoaineiden väheneminen saattaa nopeuttaa fuusioreaktoreiden kehitystyötä.
Atomifysiikka
Atomifysiikka ja molekyylifysiikka tutkivat atomin kokoluokan ilmiöitä. Tähän kokoluokkaan sijoittuu myös
kemia. Hiukkasfysiikassa tutkitaan atomin rakenteen pienimpiä osasia, kun taas atomifysiikassa tyydytään tutkimaan atomia eristäytyneenä yksikkönä. Atomifysiikka yhdistettään usein myös ydinfysiikkaan. Atomifysiikassa on kuitenkin kyse atomin, elektronit ja ydin yhdessä, tutkimisesta kun taas ydinfysiikassa ollaan kiinnostuneita vain ja ainoastaan atomin ytimestä.
Molekyylifysiikka tutkii molekyylien ja atomien välisten sidosten fysikaalisia ominaisuuksia. Molekyylifysiikka on luonut käsitteen molekyyliorbitaaleista, joka kuvaa atomien orbitaalien yhdistymistä ja kerto kovalenttisten sidosten syntytavan.
Tiiviin aineen fysiikka
Meissnerin ilmiötä havainnollistaen magneetti levitoi korkeanlämpötilan suprajohteen yläpuolella. Suprajohteen alla on höyrystyvää nestemäistä typpeä
Tiiviin aineen fysiikka tai kondensoituneen aineen fysiikka tutkii aineen makroskooppisia ilmiöitä aineen rakenneosasten tiivistyttyä yhteen olomuotoon. Aiemmin fysiikan haara tunnettiin nimellä kiinteän olomuodon fysiikkaill, mutta nimitys tiiviin aineen fysiikasta vakiintui kun huomattiin vastaavanlaisten ilmiöiden tapahtuvan nesteä. Tiiviin aineen fysiikka on fysiikan alan suurin tutkimusalue. Kvanttimekaniikka on myös tiiviin aineen fysiikan teoreettinen työkalu.
Olennaisena osana tiiviin aineen fysiikkaa on hyvin matalissa lämpötiloissa havaitut ilmiöt, kuten suprajohtavuus, supranesteytyminen ja Bosen–Einsteinin kondensaatti. Suurin osa alan teorioista liittyy johtavuuteen ja magnetismianin. Tiiviin aineen fysiikan tutkimus on vaikuttanut moniin muihin fysiikan aloihin, esimerkiksi materiaalifysiikka, nanoteknologiaan, tekniikkaanan ja lisäksi myös kemia.
Ehkä tärkeimpiä keksintöjä tiiviin aineen fysiikan alalla on vuonna 1948 keksitty transistorin. Transistori on vaikuttanut merkittävästi koko maailman elektronisiin laitteisiin. Esimerkiksi tietokoneen nykyisen kaltainen toiminta olisi täysin mahdotonta ilman transistoria. Toinen merkittävä löytö oli intialaisen Satyendra Nath Bose ja Albert Einsteinin ennustama Bosen-Einsteinin kondensaatti, joka löydettiin 90 vuotta myöhemmin.
Kvanttimekaniikan kehittyminen 1920-luvun lopussa on auttanut merkittävästi koko tiiviin aineen fysiikan kehittymisessä. Monien ilmiöiden selittäminen ilman kvanttimekaniikka olisi täysin mahdotonta.
Kuvassa Orionin sumu
Astrofysiikka
Astrofysiikka eli avaruusfysiikka on
tähtitieteen haara, joka tutkii avaruuden ilmiöitä, joita on mahdollista kuvata ainakin matemaattisesti.
[ }}] Tutkimustyö kohdistuu eniten tähtiin sekä
galakseihin ja niiden fysikaalisiin ilmiöihin. Tämän takia tutkimuksissa hyödyllinen fysiikan ala on
plasmafysiikka. Astrofysiikka on olennainen osa maailmankaikkeuden tutkimista ja sen tutkimustulokset ovat hyvin tärkeitä monille muille fysiikan ja tähtitieteen haaroille. Olennainen osa avaruusfysiikan tutkimuksesta kohdistuu
Aurinkoon ja sen aiheuttamiin ilmiöihin Maassa ja lähiavaruudessa.
Suomessa avaruusfysiikkaa tutkiva laitos on
Ilmatieteen laitos.
Astrofysiikan tutkimuksen tärkeimpiin teorioihin kuuluu yleinen suhteellisuusteoria, jonka avulla on ennustettu useita ilmiöitä ja selittää uusia aiemmin mahdottomiksi luultuja ilmiöitä. Ilmiöistä saadaan tietoa ensisijaisesti satelliittienen, avaruusteleskooppi sekä suurten maanpäällisten kaukoputkien avulla. Vuonna 2008 laukaistavan Planck-satelliitin odotetaan antavan paljon hyödyllistä tietoa maailmankaikkeuden alkuajoista mittaamalla mikroaaltotaustasäteilyä. Suomessa satelliitin tekniikkaan panostetaan 10 miljoonaa euroa.
Fysiikan käsitys todellisuudesta
Fysikaalisella
todellisuuskäsityksellä tarkoittaa tässä fysiikan tämänhetkisiin tuloksiin perustuvaa kokonaiskäsitystä
todellisuudesta ja sen rakenteesta. Havaittu kaikkeus muodostuu sisäkkäisistä rakenteista, jotka vuorovaikuttavat keskenään neljällä
perusvuorovaikutuksella. Tyypillistä on jakaa hahmotettavat asiat ja ilmiöt makroskooppisiin eli silmin havaittaviin ja mikroskooppisiin eli hyvin pieniin, joita ei voida havaita silmin. Näiden väliin jäävää aluetta kutsutaan mesoskooppiseksi. Makroskooppiset ilmiöt voidaan useimmiten perustella mikroskooppisten ilmiöiden pohjalta. Esimerkiksi lämpötilan nousu johtuu rakenneosasten lämpöliikkeen nopeutumisesta.
- Kaikkeuden ihmiselle hahmottuvat tasot:
- Perusvuorovaikutukset:
Fysiikan tutkimusmenetelmät
Yleistä
Fysiikka on 'kokeellinen teorioita todellisuudesta luova tiede'.
Fysiikan teorioiden tulee olla kokeellisesti testattavissa eli niiden tulee antaa kokeellisesti testattavia ennusteita. Fysiikka voidaan jakaa kahteen osaan,
teoreettiseen fysiikkaan ja
kokeelliseen fysiikkaan. Teoreettisessa fysiikassa muodostetaan ja tutkitaan matematiikan ja intuition avulla teorioita. Kokeellisessa fysiikassa suoritetaan
kokeita, joilla testataan teorioiden antamien ennusteiden paikkansapitävyyttä. Kokeilla teoria saatetaan
falsifoida eli todeta vääräksi tai puutteelliseksi mutta ei koskaan todistaa oikeaksi, vaan ainoastaan kokeen kohteena olleessa tapauksessa selityskykyiseksi. Fysikaalinen tieto on jatkuvasti keskeneräistä. Aiempaa tarkemman havaintovälineen käyttöönotto voi tuoda uusia havaintoja, joita vanha teoria ei selitä tai uusi teoreettinen keksintö tuo uuden näkökulman asiaan.
Fysiikka tieteenä pyrkii mahdollisimman suureen rakenteellisuuteen. Rakenteellisuus merkitsee pyrkimystä irrallisista laeista kiinteän yhtenäisen kokonaiskuvan muodostamiseen, pyrkimystä hierarkkiseen tietorakenteeseen, jossa yksittäiset relaatiot ovat jäsentyneet hallittavaksi, ymmärrettäväksi ja ristiriidattomaksi kokonaisuudeksi, teoriaksi. Perimmäisenä pyrkimyksenä fysiikassa on luoda niin sanottu kaiken teoria, joka selittäisi kaikki luonnon vuorovaikutukset.
Matematiikka ja tekniikka
Fysiikka on 'matemaattinen tiede'. Teoreettinen fysiikka ja yleensäkin teorioiden muodostaminen on kulkenut rinta rinna matemaattisen kehityksen kanssa.
Kokeellisen fysiikan kehitys on tiukasti sidoksissa tekniseen kehitykseen. Toisaalta fysiikka on keskeinen osa nykyistä teknistä kehitystä. Varhaisimpia esimerkkejä teknisen laitteen käyttöönotosta ja kokeellisen fysiikan kehitysaskeleesta on Galileo Galilein kaukoputkihavainnot ja ylipäätään tähtitieteen kehitys. mahdollistavat luonnon havainnoinnin ihmiselle muuten tavoittamattomissa olevilla tasoilla, ne laajentavat ja tarkentavat 'näkökenttää'.
Uudempi niin kutsuttu tietotekniikka mahdollistaa laskennon ja mallintamisen laajentumisen ihmisen omia kykyjä suuremmaksi, ne laajentavat ihmisen 'ajatuskykyä'. Näin teknisestä kehityksestä tulee osa myös fysiikan teoreettista puolta.
Fysiikan tutkimus
Koska fysiikka on luontoa mallintava ja selittävä tiede sen tutkimus kohdistuu luontoon ja pyrkii muodostamaan havaitusta maailmasta mahdollisimman tarkan matemaattisen mallin. Fysiikassa tieto perustuu havaintoihin ja mittauksiin. Havainnoille haetaan teoreettisia selitysmalleja ja teorian ennusteet testataan kokeellisesti. Kokeellisen tutkimuksen voi periaatteessa kuka tahansa toistaa ja tarkistaa, ja mittaustulokset ovat henkilöistä ja mielipiteistä riippumatonta tietoa.
Fysiikan tutkimus voidaan periaatteen tasolla jakaa perustutkimukseen ja soveltavaan tutkimukseen. Käytännössä perustutkimuksen ja soveltavan tutkimuksen ero saattaa olla vain työn motivaatiossa.
Perustutkimus
Perustutkimuksen tarkoituksena on lisätä fysikaalisen tiedon määrää ja lopulta yhdistää se fysiikan käsitykseen todellisuudesta. Tavoitteena on teoria, joka kykenee selittämään mahdollisimman vähäisillä oletuksilla luonnon toimintaa ja rakennetta. Tutkimus voidaan jakaa teoreettisiin ja kokeellisiin osiin. Teoriavaiheessa muodostetaan teorian eli matemaattisen mallin pohjalta mitattavassa olevia ennustuksia. Sitten koevaiheessa suoritetaan mittauksia, joiden jälkeen käsitellään tulos virhearvioineen ja todetaan pitikö teorian ennustukset paikkansa.
Fysiikan perustutkimusta tehdään yliopistoissa ja suurissa kansainvälisissä tutkimuslaitoksissa ympäri maailmaa. Kokeellisen fysiikan kokeet, kuten hiukkasten suurenergiset törmäyttämiset, saattavat vaatia suuriakin koejärjestelyitä. Yleensä mitä pienempää kohdetta tutkitaan sitä suurempia tutkimuslaitteita tarvitaan. Avaruuden tutkiminen taas vaatii avaruuteen lähetettäviä tutkimuslaitteita kuten Hubble-avaruusteleskooppi. Mittaustulosten laskenta ja teoreettinen mallinnus vaatii runsaasti laskentatehoa. Näiden seikkojen vuoksi kokeellinen perustutkimus vaatii runsaasti resursseja ja kansainvälistä yhteistyötä.
Soveltava tutkimus
Fysiikan soveltavaa tutkimusta tehdään aivan perustutkimuksen läheisyydessä alkaen yhden hengen yrityksistä aina
Bell Labs'in kaltaisiin suuriin tuhansia henkilöitä käsittäviin tutkimuskeskuksiin.
Insinöörit on selvin fysikaalisen tietämyksen käytännön ongelmiin soveltaja, mutta yhä enenevässä määrin mm.
lääkäri ja taloustieteilijät käyttävät fysiikan tietämystä ja menetelmiä työssään. Lisääntyvä erikoistuminen luo jatkuvasti uusia fysiikan aloja ja äärimmäisessä tapauksesta yhtä alaa saattaa tutkia koko Maassa vain yksi ainoa tutkimusryhmä. Runsas tekniikan hyödyntäminen kaikessa fysiikan tutkimuksessa johtaa siihen, että kokeellisen fyysikon ja insinöörin välinen raja voi olla kuin veteen piirretty viiva.
Fysiikka muissa tieteissä
Fysiikka kuuluu niin sanottuihin perustieteisiin, joita muut tieteet soveltavat omiin tarkoituksiinsa. Lähes jokainen tieteenala soveltaa omissa tutkimuksissaan fysiikan teoriaa tai vähintään jotain fysiikan sovellutusta. Fysiikan ja muiden luonnontieteiden välinen ero on joskus kuin veteen piirretty viiva. Jotkut fysiikan alat ovat hyvin lähellä kemiaa, ja vastaavasti toiset lähellä tähtitiedettä.
Useat lääketieteelliset kuvaus- ja mittausvälineet ovat suoria sovellutuksia fysiikasta. Kuuluisin ja käytetyin kuvantamismenetelmä on röntgenkuvaus. Radioaktiivisuuden löytämisen jälkeen ymmärrettiin röntgensäteilyn haittavaikutukset, ja ionisoivan säteilyntutkimustutkimus käyttöä on pyritty vähentämään. Tilalle ovat tulleet ultraääni ja magneettikuvaus. Lääketieteellisen tiedekunnan pääsykokeissa fysiikan hallitseminen on pakollista.
Elektronisten laitteiden kasvanut määrä on lisännyt fysiikan osaamista myös elektronisten laitteiden kehittämisessä ja laadunvalvonnassa. Fysiikan uusimpiin sovellutuksiin kuluttajamarkkinoilla kuuluvat sinistä laseria käyttävät mediatallenteet kuten HD DVD ja Blu-Ray. Sinisen laserin lyhyempi aallonpituus on mahdollistanut suuremman datamäärän tallentamisen yhdelle levylle ilman levyn fyysisen koon kasvattamista. Elektronisissa laitteissa käytetään poikkeuksetta transistoreita, mikä on mahdollistanut tietotekniikan nopean kehittymisen.
Muita fysiikkaa hyödyntäviä tieteenaloja ovat geologia, meteorologia, biologia ja biofysiikka.
Fysiikka ammattina
Fyysikko on fysiikan tutkija, jonka pyrkimyksenä on fysikaalisen tietämyksen lisääminen. 1900-luvulla kiihtynyt fysiikan edistyminen ja
erikoistuminen on johtanut siihen, että useimmat fyysikot työskentelevät samalla alalla koko elämänsä. Yleinen, muissakin tieteissä havaittava, tiedon lisääntyminen on tehnyt Albert Einsteinin kaltaisista useilla fysiikan aloilla toimineista fyysikoista hyvin harvinaisia. Muita modernin fyysikon työn piirteitä ovat erikoistumisen vastapainoksi suuret tutkimusryhmät ja suuret koejärjestelyt, varsinkin kokeellisessa fysiikassa. Kansainvälisyys on oleellinen osa fysiikan tutkimusta siinä missä muissakin luonnontieteissä.
Soveltavaa tutkimusta tekeviä fyysikoita työskentelee kaikilla niillä aloilla, missä fysiikkaa sovelletaan riittävän korkealla osaamistasolla. Tästä tutkimuksesta ydinaseen kehittänyt Manhattan-projekti on tyyppiesimerkki. Sähkömagnetismin keksimisestä lähtien yhä enenevässä määrin teoria on edeltänyt uusia keksintöjä. Tämä on lähentänyt fyysikon ja insinöörin toimenkuvaa, kun varhaisemman erehtymisen ja onnistumisen -menetelmän rinnalle tekniseen kehitystyöhön on tullut fysikaalisia malleja hyödyntävä menetelmä. Toisaalta teorian merkityksen nousu on keskeinen piirre myös fysiikan sisällä. Tämä teoreettisen fysiikan nousu alkoi 1800-luvulta lopulta, kun Maxwellin yhtälöt ennakoivat radioaaltojen vastaanottamisen ja lähettämisen olevan mahdollista
Fysiikan opiskelu
Suomessa
Suomessa fysiikan opiskelu alkaa pakollisena aineena peruskoulussa. Peruskoulun fysiikassa pyritään ennemmin kokeellisuuteen kuin teoreettiseen ajatteluun.
Lukiossa fysiikasta on yksi pakollinen kurssi sekä seitsemän valtakunnallista syventävää kurssia. Valtakunnallisten kurssien lisäksi lukiot tarjoavat omia syventäviä kursseja.
Fysiikan opiskelijoita valittaessa heiltä vaaditaan lukio-opintojen perusteella ylioppilaskoemenestystä sekä fysiikasta että matematiikasta. Tämän lisäksi painotetaan suoritettujen kurssien lukumäärää ja päättötodistuksen arvosanaa.
Vuosittain noin 80 % fysiikan opiskelijoista valitaan lukio-opintojen menestyksen perusteella ja muut taas valintakokeiden perusteella.
Pintapuolisesti fysiikkaa opetetaan myös kaikissa teknisen alan oppilaitoksissa.
Fysiikkaa opetetaan omana oppiaineenaan yliopistoissa yleensä matemaattis-luonnontieteellisissä tiedekunnissa. Opintojen tutkintonimike on tasosta riippuen luonnontieteiden kandidaatti, filosofian maisteri, filosofian lisensiaatti tai filosofian tohtori. Kohtuullisen fysiikan tutkimustyön jälkeen henkilöä voidaan kutsua fyysikoksi. Puhdasta fysiikkaa opetetaan merkittävästi myös teknillisissä korkeakouluissa. Fysiikan opetus tapahtuu tavallisesti suomeksi, mutta esimerkiksi oppikirjat ovat usein englanninkielisiä heti peruskursseista lähtien. Perustutkintoon kuuluvat LuK-tutkimus ja Pro gradu -työ tehdään yleensä suomeksi. Myös lisensiaatin työ saatetaan tehdä suomeksi mutta väitöskirja tehdään lähes aina englanniksi.
Olennaisena osana fysiikan opiskeluun kuuluu matematiikan opiskelu, sillä 'matematiikkaa hallitsemattomasta ihmisestä ei tule fyysikkoa'
Ulkomailla
Suomen liittyminen Euroopan unioniin on helpottanut opiskelijoiden siirtymistä opiskelemaan ulkomaille tai antanut mahdollisuuden ulkomaalaisten opiskelijoiden tulla Suomeen opiskelemaan.
Esimerkiksi Erasmus-ohjelma antaa kaikkien alojen tutkinto-opiskelijoille mahdollisuuden 3–12 kuukauden tuettuihin korkea-asteen opintoihin EU:n jäsenmaissa, ETA-maissa (Islanti, Norja ja Liechtenstein), ja Turkissa.
Suomi on yhteistyössä monien järjestöjen kanssa, esimerkiksi CERN:in ja ESA:n kanssa.
Merkittävät fysiikan alan palkinnot ja tapahtumat
Suomessa jaettavat palkinnot
Lähteet
Viitteet
Katso myös
Aiheesta muualla
Suomenkielistä fysiikan opetusta tarjoavat tahot
Fysik
Physik
Physique
Fysikk
Fysik
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)