Fysiikka: Mitä ja Miksi?
Fysiikka on perusluonnontiede, jonka perimmäisenä tarkoituksena on selvittää kokeellisin ja teoreettisin menetelmin luonnonilmiöitä ja etsiä niitä hallitsevia yleispäteviä lainalaisuuksia. Fysiikan oppirakennelmien muodostama kudos on koko maailmankuvamme tukena, ja fysiikkaan perustuva käsityksemme luonnosta sekä fysikaalinen ajattelutapa ohjaavat vahvasti nyky-yhteiskunnan kaikkien osa-alueiden toimintoja.
Klassinen mekaniikka, klassinen elektrodynamiikka sekä termodynamiikka ja statistinen fysiikka ovat vuosisatojen saatossa muovaantuneita ja hioutuneita kirkkaita jalokiviä. Kuvan 1 yhtälöt määrittelevät partitiofunktion ja entropian lausekkeet. Molemmat ovat keskeisessä roolissa klassisessa fysiikassa ja ne tulevat opiskelijalle tutuksi viimeistään kolmannen opiskeluvuoden aikana.
1900 luvulla fyysikot saavuttivat yhä syvemmän ymmärryksen aineen ja avaruuden perusrakenteista: kvanttimekaniikka, kvanttikenttäteoria ja yleinen suhteellisuusteoria kehittyivät ja ne voitiin liittää muiden jalokivien joukkoon. Kuvassa 2 nähdään vetyatomin elektronien sijoittuminen ytimen ympärille vetyatomin ollessa eri energiatiloilla. Samassa kuvassa on kvanttimekaniikkaan liittyviä yhtälöitä, jotka kuvaavat vetyatomin käyttäytymistä. Maisteritason fyysikko on tutustunut kyseisiin yhtälöihin ja osaa niitä soveltaa työssään. Kuvassa 3 on esitettynä neutronitähden massan aiheuttama valon taipuminen (valo tulee neutronitähden takaa sijaitsevasta tähdestä). Sen vieressä on esitetty pulsarin ympärillä olevan kaasun kiertyminen. Kaasuaines on kiertynyt pulsarin aiheuttaman magneettikentän ja säteilyn vaikutuksesta. Alimpana kuvassa nähdään Maapallon aiheuttama painauma aika-avaruuteen. Yleinen suhteellisuusteoria on koneisto, jolla nämäkin ilmiöt voidaan ymmärtää. Kuvan ohessa on muutamia yleiseen suhteellisuusteoriaan liittyviä lausekkeita. Yleinen suhteellisuusteoria on fyysikoiden extreme -urheilua: siihen ei kaikkien fyysikoidenkaan pää riitä. Fysiikan kehitys jatkuu. Maailmankuvamme täydellistyy. Olemassa olevat teoriat tulevat osaksi yhä suurempia kudelmia. Toisaalta fyysikoiden käyttämät menetelmät tunkeutuvat muille tieteenaloille: biologiaan, taloustieteisiin, käyttäytymistieteisiin ja niin edelleen. Missä tahansa on säännönmukaisuutta on sitä hallitsevia lakeja, ja missä tahansa on kaaosta syntyy myös säännönmukaisuutta. Fysiikan historia on suuri seikkailu joka jatkuu. Seikkailijoita tarvitaan jatkuvasti lisää. Fyysikoita tarvitaan myös arkisissa askareissa. Ilman fyysikoita matkapuhelimet eivät toimisi, öljy ei pulppuaisi porausrei'istä eivätkä lentokoneet pysyisi ilmassa. Fyysikon koulutus tarjoaa ainutlaatuiset työvälineet mitä moninaisempien ongelmien ratkaisuun mitä moninaisempia reunaehtoja noudattaen. Fyysikon koulutus tarjoaa nyky-yhteiskunnassa vellovaa huuhaata vastaan tehokkaat aseet, nimittäin kriittisyyden ja objektiivisuuden. Modernin fysiikan näkökulmasta esimerkiksi astrologia (=tähtimerkeistä ennustaminen) ja homeopatia (="hoitomuoto", jossa potilas juo käytännössä vettä "lääkeaineena") eivät voi toimia. Fyysikon mielestä luonnontieteen edistysaskeleet ovat tuhonneet näiden menetelmien perusteet jo viisisataa ja sata vuotta sitten.
Kuva1. Partitiofunktio ja entropia
Kuva2. Vetyatomi eri energiatiloissa
Kuva3. Suhteellisuusteorian selittämiä ilmiöitä