Fysiikka: määritelmä, ilmiöt ja sovellukset

Muinainen tähtitiede

Tähtitiede on vanhin luonnontiede. Sumerit ja muinaiset egyptiläiset tutkivat tähtiä lähinnä ennustamisen ja uskonnon vuoksi. Ensimmäiset babylonialaiset tähtikartat ovat peräisin noin vuodelta 1200 eaa. Myös se, että tähtitieteelliset tapahtumat ovat jaksottaisia, on peräisin babylonialaisilta. Heidän käsityksensä ei ollut tieteellinen, mutta heidän havaintonsa vaikuttivat myöhempään tähtitieteeseen. Suuri osa tähtitieteestä on peräisin Mesopotamiasta, Babyloniasta, muinaisesta Egyptistä ja muinaisesta Kreikasta. Egyptiläiset tähtitieteilijät rakensivat monumentteja, jotka osoittivat, miten taivaalla olevat kohteet liikkuivat, ja suurin osa pohjoisen pallonpuoliskon tähtikuvioiden nimistä on peräisin kreikkalaisilta tähtitieteilijöiltä.

Luonnonfilosofia

Luonnonfilosofia sai alkunsa Kreikassa noin 650 eaa., kun filosofien liike korvasi taikauskon naturalismilla, joka kumosi hengellisen. Leukippos ja hänen oppilaansa Demokritos ehdottivat atomin ideaa samoihin aikoihin.

Fysiikka keskiajan islamilaisessa maailmassa

Islamilaiset oppineet jatkoivat aristoteelisen fysiikan tutkimista islamin kultakaudella. Yksi tärkeimmistä panoksista oli havaintotähtitiede. Jotkut, kuten Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi ja Avicenna, työskentelivät optiikan ja näkemisen parissa. Ibn al-Haytham hylkäsi The Book of Optics -teoksessaan aiemmat kreikkalaiset näkemistä koskevat ajatukset ja ehdotti uutta teoriaa. Hän tutki, miten valo pääsee silmään, ja kehitti camera obscuran. Eurooppalaiset tiedemiehet rakensivat myöhemmin tämän kirjan pohjalta silmälaseja, suurennuslaseja, kaukoputkia ja kameroita.

Klassinen fysiikka

Fysiikasta tuli erillinen tieteenala tieteellisen vallankumouksen jälkeen. Galileon kokeet auttoivat luomaan klassisen fysiikan. Vaikka hän ei keksinyt kaukoputkea, hän käytti sitä katsellessaan yötaivasta. Hän tuki Kopernikuksen ajatusta, jonka mukaan Maa liikkui auringon ympäri (heliosentrismi). Hän tutki myös painovoimaa. Isaac Newton käytti Galileon ajatuksia luodakseen kolme liikelakiaan ja universaalin gravitaatiolainsa. Yhdessä nämä lait selittivät putoavien kappaleiden liikkeen lähellä maata sekä maan ja planeettojen liikkeen auringon ympäri.

Parin vuosisadan kuluttua teollinen vallankumous oli täydessä vauhdissa, ja monilla tieteenaloilla tehtiin paljon uusia löytöjä. Klassisen fysiikan lait riittävät hyvin sellaisten kohteiden tutkimiseen, jotka liikkuvat paljon valonnopeutta hitaammin ja jotka eivät ole mikroskooppisia. Kun tiedemiehet tutkivat ensimmäistä kertaa kvanttimekaniikkaa, heidän oli luotava uudet lait, mikä oli modernin fysiikan alku.

Nykyaikainen fysiikka

Kun tiedemiehet tutkivat hiukkasia, he löysivät asioita, joita klassinen mekaniikka ei pystynyt selittämään. Klassinen mekaniikka ennusti, että valon nopeus vaihteli, mutta kokeet osoittivat, että valon nopeus pysyi samana. Tämän ennusti Albert Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria. Einstein ennusti, että sähkömagneettisen säteilyn nopeus tyhjän tilan läpi olisi aina sama. Hänen näkemyksensä aika-avaruudesta korvasi vanhan käsityksen, jonka mukaan avaruus ja aika olivat aivan erillisiä asioita.

Max Planck keksi kvanttimekaniikan selittääkseen, miksi metalli vapauttaa elektroneja, kun siihen kohdistetaan valoa, ja miksi aine säteilee säteilyä. Kvanttimekaniikkaa sovelletaan hyvin pieniin asioihin, kuten atomin muodostaviin elektroneihin, protoneihin ja neutroneihin. Werner Heisenbergin, Erwin Schrödingerin ja Paul Diracin kaltaiset ihmiset jatkoivat kvanttimekaniikan parissa työskentelyä, ja lopulta saimme aikaan standardimallin.

Fysiikka tutkii energiaa ja ainetta tilassa ja ajassa sekä niiden keskinäistä suhdetta. Fyysikot olettavat, että massa, pituus, aika ja sähkövirta ovat olemassa, ja määrittelevät (antavat merkityksen) kaikki muut fysikaaliset suureet näiden perusyksiköiden avulla. Massaa, pituutta, aikaa ja sähkövirtaa ei koskaan määritellä, mutta niiden mittaamiseen käytettävät standardiyksiköt määritellään aina. Kansainvälisessä mittayksikköjärjestelmässä (lyhenne SI, ranskankielisestä Système Internationalista) kilogramma on massan perusyksikkö, metri on pituuden perusyksikkö, sekunti on ajan perusyksikkö ja ampeeri on sähkövirran perusyksikkö. Näiden neljän yksikön lisäksi on olemassa kolme muuta yksikköä: mooli, joka on aineen määrän yksikkö, kandela, joka mittaa valon voimakkuutta (valaistusvoimakkuutta) ja kelvin, joka on lämpötilan yksikkö.

Fysiikka tutkii, miten asiat liikkuvat ja mitkä voimat saavat ne liikkumaan. Fysiikassa käytetään esimerkiksi nopeutta ja kiihtyvyyttä osoittamaan, miten asiat liikkuvat. Fyysikot tutkivat myös painovoimaa, sähköä, magnetismia ja voimia, jotka pitävät asioita yhdessä.

Fysiikka tutkii hyvin suuria ja hyvin pieniä asioita. Fyysikot voivat esimerkiksi tutkia tähtiä, planeettoja ja galakseja, mutta he voivat myös tutkia pieniä aineen palasia, kuten atomeja ja elektroneja. he voivat myös tutkia ääntä, valoa ja muita aaltoja. Lisäksi he voivat tutkia energiaa, lämpöä ja radioaktiivisuutta sekä jopa avaruutta ja aikaa. Fysiikka ei auta ihmisiä vain ymmärtämään, miten esineet liikkuvat, vaan myös sitä, miten ne muuttavat muotoaan, miten ne pitävät ääntä, miten kuumia tai kylmiä ne ovat ja mistä ne ovat pienimmilläänkin koostuneet. Lyhyesti sanottuna fysiikka on tieteenala, joka käsittelee aineen ja energian ominaisuuksia sekä niiden välistä vuorovaikutusta.

Fysiikka on kvantitatiivinen tiede, koska se perustuu numeroilla mittaamiseen. Matematiikkaa käytetään fysiikassa sellaisten mallien laatimiseen, joilla yritetään ennustaa, mitä luonnossa tapahtuu. Näitä ennusteita verrataan siihen, miten todellinen maailma toimii. Fyysikot pyrkivät aina parantamaan maailmasta laatimiaan malleja.

Klassinen mekaniikka sisältää tärkeitä aiheita, kuten Newtonin liikelait, Lagrangen mekaniikka, Hamiltonin mekaniikka, kinematiikka, statiikka, dynamiikka, kaaosteoria, akustiikka, nestedynamiikka ja jatkumomekaniikka. Klassinen mekaniikka käsittelee luonnossa kappaleeseen vaikuttavia voimia, voimien tasapainottamista, tasapainotilan ylläpitämistä jne.

Sähkömagnetismi tutkii tietyn kappaleen varauksia. Se sisältää alateemoja, kuten sähköstatiikka, elektrodynamiikka, sähkö, magnetismi, magnetostatismi, Maxwellin yhtälöt, optiikka .

Termodynamiikka ja tilastollinen mekaniikka liittyvät lämpötilaan. Se sisältää tärkeimmät aiheet, kuten lämpövoimakoneen, kineettisen teorian. Siinä käytetään termejä kuten lämpö (Q), työ (W) ja sisäenergia (U). Termodynamiikan ensimmäinen laki antaa meille niiden suhteen seuraavan yhtälön avulla (ΔU = Q - W).

Kvanttimekaniikka tutkii hiukkasia atomitasolla ottaen huomioon atomimallin. Siihen sisältyy alateemoja polkuintegraalimuodostus, sirontateoria, Schrödingerin yhtälö, kvanttikenttäteoria, tilastollinen kvanttimekaniikka.

Suhteellisuus

Yleiskuvaus

Fysiikka on tiedettä, joka käsittelee ainetta ja sitä, miten aine on vuorovaikutuksessa keskenään. Aine on mitä tahansa fyysistä materiaalia maailmankaikkeudessa. Kaikki on tehty aineesta. Fysiikan avulla kuvataan meitä ympäröivää fyysistä maailmankaikkeutta ja ennustetaan, miten se käyttäytyy. Fysiikka on tiede, joka käsittelee niiden yleismaailmallisten lakien löytämistä ja kuvaamista, jotka ohjaavat materiaa, liikettä ja voimia sekä avaruutta ja aikaa ja muita luonnollisen maailman piirteitä.

Fysiikan laaja-alaisuus ja tavoitteet

Fysiikka on laaja-alainen: se ulottuu aineen pienimmistä komponenteista ja niitä koossa pitävistä voimista galakseihin ja vielä suurempiin asioihin. On vain neljä voimaa, jotka näyttävät toimivan koko tällä alueella. Jopa näiden neljän voiman (painovoima, sähkömagnetismi, radioaktiivisuuteen liittyvä heikko voima ja vahva voima, joka pitää atomin protonit ja neutronit yhdessä) uskotaan kuitenkin olevan yhden voiman eri osia.

Fysiikan päätavoitteena on luoda yhä yksinkertaisempia, yleisempiä ja tarkempia sääntöjä, jotka määrittelevät aineen ja avaruuden luonteen ja käyttäytymisen. Yksi fysiikan tärkeimmistä tavoitteista on laatia teorioita, jotka soveltuvat kaikkeen maailmankaikkeudessa. Toisin sanoen fysiikkaa voidaan pitää niiden universaalien lakien tutkimisena, jotka määrittelevät mahdollisimman perustasolla fyysisen maailmankaikkeuden käyttäytymisen.

Fysiikassa käytetään tieteellistä menetelmää

Fysiikassa käytetään tieteellistä menetelmää. Se tarkoittaa, että kokeista ja havainnoista kerätään tietoja. Sitten laaditaan teorioita, joilla yritetään selittää nämä tiedot. Fysiikka käyttää näitä teorioita paitsi fysikaalisten ilmiöiden kuvaamiseen myös fysikaalisten järjestelmien mallintamiseen ja niiden käyttäytymisen ennustamiseen. Fyysikot vertaavat sitten näitä ennusteita havaintoihin tai kokeellisiin todisteisiin osoittaakseen, onko teoria oikea vai väärä.

Teorioita, jotka saavat hyvin tukea tiedoista ja jotka ovat erityisen yksinkertaisia ja yleisiä, kutsutaan joskus tieteellisiksi laeiksi. Kaikki teoriat, myös lait, voidaan tietysti korvata tarkemmilla ja yleisemmillä laeilla, kun havaitaan erimielisyyttä tietojen kanssa.

Fysiikka on kvantitatiivista

Fysiikka on kvantitatiivisempaa kuin useimmat muut tieteet. Toisin sanoen monet fysiikan havainnoista voidaan esittää numeeristen mittausten muodossa. Useimmat fysiikan teoriat käyttävät matematiikkaa periaatteidensa ilmaisemiseen. Useimmat näiden teorioiden ennusteet ovat numeerisia. Tämä johtuu siitä, että fysiikan käsittelemät alat toimivat paremmin kvantitatiivisten lähestymistapojen avulla kuin muut alat. Tieteillä on myös taipumus muuttua ajan myötä kvantitatiivisemmiksi, kun ne kehittyvät korkeammalle, ja fysiikka on yksi vanhimmista tieteistä.

Fysiikan alat

Klassiseen fysiikkaan kuuluvat yleensä mekaniikka, optiikka, sähkö, magnetismi, akustiikka ja termodynamiikka. Nykyaikainen fysiikka on termi, jota tavallisesti käytetään kattamaan alat, jotka perustuvat kvanttiteoriaan, mukaan lukien kvanttimekaniikka, atomifysiikka, ydinfysiikka, hiukkasfysiikka ja tiivistetyn aineen fysiikka sekä uudemmat yleisen ja erityisen suhteellisuusteorian alat, mutta näitä kahta viimeksi mainittua pidetään usein klassisen fysiikan aloina, koska ne eivät perustu kvanttiteoriaan. Vaikka tämä ero löytyy vanhemmista kirjoituksista, se ei ole enää kovinkaan kiinnostava, koska kvanttivaikutusten ymmärretään nykyään olevan tärkeitä myös aloilla, joita aiemmin kutsuttiin klassisiksi.

Fysiikan lähestymistavat

Fysiikkaa voi opiskella monella eri tavalla, ja fysiikan parissa on monenlaista toimintaa. Kaksi tärkeintä toimintatyyppiä ovat tietojen kerääminen ja teorioiden kehittäminen.

Joitakin fysiikan osa-alueita voidaan tutkia kokeellisesti. Esimerkiksi Galileo Galilei keksi kinematiikan tekemällä kokeita ja tutkimalla tietoja. Kokeellisessa fysiikassa keskitytään pääasiassa empiiriseen lähestymistapaan. Joitakin kokeita tehdään luonnon tutkimiseksi, ja toisia kokeita tehdään tietojen tuottamiseksi, jotta niitä voidaan verrata teorioiden ennusteisiin.

Eräät muut fysiikan alat, kuten astrofysiikka ja geofysiikka, ovat enimmäkseen havaintotieteitä, koska suurin osa niiden tiedoista on kerättävä passiivisesti eikä kokeiden avulla. Galileo esimerkiksi pystyi vain katsomaan Jupiteria ja havaitsemaan, että sillä on kuita. Näiden alojen havainnointiohjelmissa käytetään kuitenkin monia samoja välineitä ja teknologiaa kuin fysiikan kokeellisilla osa-alueilla.

Teoreettisessa fysiikassa käytetään usein kvantitatiivisia lähestymistapoja sellaisten teorioiden kehittämiseksi, joilla yritetään selittää tietoja. Näin teoreettiset fyysikot käyttävät usein matematiikan työkaluja. Teoreettiseen fysiikkaan voi usein kuulua fysikaalisten teorioiden kvantitatiivisten ennusteiden luominen ja näiden ennusteiden vertaaminen kvantitatiivisesti dataan. Teoreettisessa fysiikassa luodaan joskus fysikaalisten järjestelmien malleja ennen kuin on saatavilla tietoja, joilla näitä malleja voidaan testata ja tukea.

Näissä kahdessa fysiikan päätoiminnossa, tiedonkeruussa, teorian tuottamisessa ja testaamisessa, käytetään monia eri taitoja. Tämä on johtanut siihen, että fysiikassa on erikoistuttu paljon ja että muiden alojen työkaluja on otettu käyttöön, kehitetty ja käytetty. Esimerkiksi teoreettiset fyysikot käyttävät työssään matematiikkaa ja numeerista analyysia sekä tilastoja ja todennäköisyyttä ja tietokoneohjelmia. Kokeelliset fyysikot kehittävät välineitä ja tekniikoita tietojen keräämiseen käyttäen hyväksi insinööri- ja tietotekniikkaa ja monia muita tekniikan aloja. Usein näiltä muilta aloilta peräisin olevat välineet eivät ole aivan sopivia fysiikan tarpeisiin, vaan niitä on muutettava tai niistä on tehtävä kehittyneempiä versioita.

Usein uutta fysiikkaa löydetään, jos kokeelliset fyysikot tekevät kokeita, joita nykyiset teoriat eivät pysty selittämään, tai jos teoreettiset fyysikot luovat teorioita, joita kokeelliset fyysikot voivat sitten testata.

Kokeellinen fysiikka, tekniikka ja teknologia liittyvät toisiinsa. Kokeissa tarvitaan usein erikoistyökaluja, kuten hiukkaskiihdyttimiä ja lasereita, ja tärkeät teolliset sovellukset, kuten transistorit ja magneettikuvaus, ovat tulleet soveltavasta tutkimuksesta.

Merkittävät fyysikot

• American Physical Society
• Tähtitiede
• Energia
• Matter
• Aika