Fysiikka

Fysiikka (kreikan sanasta physis, luonto) on elottomassa luonnossa esiintyviä suureita ja niiden suhteita tutkiva tiede. Fysiikka on luonnontiede, joka tutkii kaikkeutta käsitellen erityisesti aineen ja säteilyn käyttäytymistä sekä vuorovaikutuksia. Fysiikan ja muutamien toisten tieteiden, kuten tähtitieteen ja kemian välinen raja on usein häilyvä ja epämääräinen. Fysiikan tutkijoita nimitetään fyysikoiksi.

Fysiikka on kokeellinen ja eksakti luonnontiede. Kokeellisuus eli empiirisyys tarkoittaa sitä, että luonnonilmiöitä koskevat havainnot ja mittaukset ovat kaiken fysikaalisen tiedon pohja. Fysikaalinen tieto on aina kokeellisesti perusteltua. Eksaktisuus merkitsee, että fysiikan tulokset pyritään ilmaisemaan matemaattisessa muodossa ilmiön havaittuja säännönmukaisuuksia esittävinä lakeina, joiden avulla voidaan tehdä ilmiötä koskevia kvantitatiivisia ennusteita.

Fysiikassa luodaan erilaisia malleja, joilla pyritään kuvaamaan ilmiöitä eli luonnon käyttäytymistä. Mallien perusteella pyritään päättelemään ja formuloimaan luonnossa vallitsevia yleisiä periaatteita, lakeja. Lait formuloidaan matemaattisesti käyttämällä suureita, jotka kuvaavat suorasti tai epäsuorasti havaittavissa ja mitattavissa olevia ominaisuuksien kvantiteetteja. Lait kuvaavat näiden suureiden välisiä relaatioita, eli suureiden välisiä riippuvuuksia.

Fysiikka tieteenä pyrkii mahdollisimman suureen rakenteellisuuteen. Rakenteellisuus merkitsee pyrkimystä irrallisista laeista kiinteän yhtenäisen kokonaiskuvan muodostamiseen, pyrkimystä hierarkkiseen tietorakenteeseen, jossa yksittäiset lait ovat jäsentyneet hallittavaksi, ymmärrettäväksi ja ristiriidattomaksi kokonaisuudeksi, teoriaksi. Äärimmäisenä pyrkimyksenä fysiikassa on luoda niin sanottu kaiken teoria, joka selittäisi kaikki luonnon vuorovaikutukset. Tällä hetkellä ei ole tietoa, onko kaiken teoriaa ylipäätään mahdollista luoda.

Klassinen ja moderni fysiikka

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 ns. historiallisen näkemyksen mukaan modernia fysiikkaa on kaikki 1900- ja 2000- luvulla tehty fysiikka.

Pääsääntöisesti 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 ns. 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 kinkkisempi. Klassisten, efektiivisten lakien nouseminen kvanttifysiikasta on ilmeisesti dekoherenssin ansiota, mutta kukaan ei ole toistaiseksi onnistunut osoittamaan, että näin todella on.

Klassisia aloja: Pitkälle Isaac Newtonin muotoilema kappaleita ja niiden liikkeitä kuvaava mekaniikka. Siinä kuvataan kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia, jotka perustuvat kappaleiden massaan, sekä näiden vuorovaikutusten aikaansaamia liikkeitä.

Varautuneiden hiukkasten vuorovaikutuksia kuvaava sähkömagnetismi. Sähkömagnetismin teoria pohjaa James Clerk Maxwellin yhtälöille varautuneiden hiukkasten ja niiden aikaansaamien kenttien väliselle vuorovaikutukselle.
Lämpöoppi, joka kuvaa erityisesti nesteiden ja kaasujen ominaisuuksia.

Moderneja aloja:

Suppea ja yleinen suhteellisuusteoria, jotka kuvaavat toistensa suhteen suurella nopeudella liikkuvien koordinaatistojen (havainnoitsijoiden) välisten havaintojen suhdetta, esimerkiksi samanaikaisuuden käsitettä. Yleinen suhteellisuusteoria myös selittää painovoiman avaruuden geometriseksi ominaisuudeksi.
Kvanttimekaniikka, joka laajentaa klassisen fysiikan kuvausta hiukkasten ja kenttien välisestä vuorovaikutuksesta. Tärkeitä kvanttimekaniikan ominaisuuksia 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.

Seuraavia aloja voidaan luokittelutavasta riippuen pitää klassisina tai moderneina:

Tilastollinen eli statistinen fysiikka, joka kuvaa suuren hiukkasmäärän ominaisuuksia ja kytkee hiukkasten mikroskooppisen kuvauksen makroskooppisten systeemien termodynaamiseksi kuvaukseksi. Ala on syntynyt modernin fysiikan aikakaudella, mutta sen rakennetta voidaan pitää klassisena. Kronologisesti sitä voidaan pitää lämpöopin yleistyksenä.

Tutkimusalueita

Fysiikan tutkimuksen pääosa-alueet luokitellaan tyypillisesti tutkittavien rakenteiden koon mukaan

Hiukkasfysiikka kuvaa hiukkasten välisiä perusvuorovaikutuksia, tyypillisesti atomia pienempiä yksiköitä
Atomi- ja molekyylifysiikka ja optiikka kuvaavat atomin kokoluokan ilmiöitä, atomien vuorovaikutusta säteilyn kanssa sekä sähkömagneettista säteilyä
Tiiviin aineen fysiikka kuvaa jollain tavoin kondensoituneiden eli tiivistyneiden hiukkasryhmien käytöstä
Tähtitiede kuvaa planeettojen ja tähtien välisiä ilmiöitä ja esim. tähtien lähettämää säteilyä

Hiukkasfysiikan rinnalle voidaan liittää erityisesti atomien ytimissä tapahtuvia reaktioita tutkiva ydinfysiikka.

Tiiviin aineen fysiikkaan enemmän tai vähemmän tiiviisti kytkettyjä aloja ovat mm.

Tähtitieteen alaluokkia ovat mm. kosmologia ja plasmafysiikka.

Näiden lisäksi fysiikan tutkimusaloja ovat

Joissakin jaotteluissa myös fysikaalinen kemia, geologia ja geofysiikka luetaan kokonaan tai osittain fysiikkaan kuuluviksi.

Katso myös

Luettelo ratkaisemattomista fysiikan ongelmista

Mallintaminen

Antimateria

Suomalaisia fysiikan linkkejä

Osa alla olevista linkeistä on englanninkielisiä.

Suomen fyysikkoseura

Kylmälaboratorio

Kirjallisuutta