Klassisesta moderniin fysiikkaan

1600-luvulla tiedemiehet alkoivat kysyä itseltään, olemmeko aivan varmoja, että näin asiat toimivat? Galileo Galilei, italialainen astronomi ja matemaatikko, ei ollut tyytyväinen selityksiin, kuten "Koska Paavi sanoo niin", tai, "Niin olemme tehneet Aristoteleen ajoista lähtien". Ranskassa, filosofi René Descartes meni kysymyksissään niin pitkälle, että lopulta hän tiesi vain yhden asian olevan varmaa: hänen oman olemassaolonsa. Ajattelen, siis olen. Tai latinaksi: "Cogito ergo sum".

Englantilaismies Francis Bacon oli myös kiinnostunut periaatteista, joiden mukaan voimme saavuttaa tietoa maailmasta. Hän loi perustan työskentelytavalle, jota yhä kutsutaan tieteelliseksi menetelmäksi. Menetelmä perustuu olettamusten tekemiseen ja sitten niiden järjestelmälliseen testaamiseen kokeiden kautta. Ja kun todellisuus ei käyttäydy kuten on oletettu, olettamuksiin perustuvat ideat heitetään pois ja luodaan uusia, joita testataan uudelleen. Samana vuonna kun Galileo Galilei kuoli (1642), toinen mies, Isaac Newton, syntyi Englannissa.

Isaac Newton on haastanut fysiikan perinteiset ja vaistonvaraiset ideat mahdollisesti useammin kuin kukaan muu historian aikana. Kokeiden ja täysin uudenlaisten laskelmien avulla hän paljasti luonnon lait eri aloilla. Tänä päivänä Isaac Newtonin todennäköisesti tunnetuin selitys on painovoima. Se on vetovoimaa, joka saa omenan putoamaan alaspäin ja pitää kuun kiertoradallaan Maan ympärillä. Isaac Newton oli myös ensimmäinen, joka selitti kunnolla kuinka voima, massa ja liike sopivat kaikki yhteen.

Tällä aikakaudella kehitettyä fysiikkaa nimitetään klassiseksi fysiikaksi, tai kunnioituksesta vanhaa Isaacia kohtaan, Newtonin fysiikaksi. Klassinen fysiikka toimii yhä erittäin hyvin tänäkin päivänä, kun on selitettävä asioita, joita kohtaamme päivittäin. Newtonin liikelait ovat yhä käytössä, kun lasketaan kappaleen putoamista ja kun satelliitteja lähetetään avaruuteen. Niin kauan kuin koko ja vauhti pysyvät niihin totutuissa mitoissaan, Newtonin laskelmat ovat vaikuttavan tarkkoja. Mutta kun tutkimme erittäin pieniä asioita, kuten yksittäisiä atomeja tai jotain vielä pienempiä, jotain erikoista tapahtuu.

Tässä minikokoisessa maailmassa - protonien, neutronien ja elektronien keskuudessa - luonnon lait ovat täysin erilaiset kuin Newtonin fysiikassa. Täällä hallitsee kvanttimekaniikka. Kvanttimekaniikka on lievästi sanottuna outo fysiikan ala. Kvanttimekaniikassa hiukkanen voi olla olemassa, mutta samaan aikaan olla olematta missään tietyssä paikassa. Elektroni, esimerkiksi, on hiukkanen, jonka sijaintia voidaan kuvailla vain todennäköisyydellä, mutta ei tarkkana olinpaikkana.

Kvanttimekaniikka usein vastustaa meidän intuitiivista ymmärrystämme fysiikasta. Sitä voi olla aivan yhtä kiehtovaa ja tyrmistyttävää yrittää ymmärtää. Aivan kuten klassinen fysiikka ei päde hyvin pienissä etäisyyksissä, se ei myöskään toimi silloin, kun puhutaan asioista, jotka kulkevat erittäin nopealla vaudilla. Juna kulkee 100 kilometriä tunnissa ja joku juoksee sen katolla samaan suuntaan kuin juna 10 kilometrin tuntinopeudella. Suhteessa maahan, hän kulkee nyt 110 kilometrin tuntinopeusvauhdilla, koska 100 plus 10 on 110.

Ei mitään ihmeellistä vielä, mutta jos hän seisoo tuon junan katolla ja sytyttää taskulampun osoittamaan eteenpäin, valo ei kuljekaan yhtään nopeammin kuin se kulkisi, jos hän seisoisi paikoillaan maassa. Hämmentävää, vai mitä? Jotta voidaan käsitellä lähellä valon nopeutta olevia nopeuksia, tarvitaan Einsteinin erityistä suhteellisuusteoriaa, ja tuo teoria, aivan kuten kvanttimekaniikkakin, on jotain, joka ei käy hyvin yhteen meidän jokapäiväisen, intuitiivisen fysiikan ymmärtämisen kanssa. Joten selvennykseksi, tässä on karkea fysiikan jaottelu kolmeen kategoriaan. Ensin on esiklassinen fysiikka.

Kutsumme sitä aristoteeliseksi fysiikaksi. Se on muotoutunut pääosin intuitiosta, ja sitten jatkettu perinteellä ja uskonnolla. Myöhemmin, 1600-luvulla, Galileon ja Newtonin kaltaiset ihmiset käänsivät aristoteelisen fysiikan päälaelleen. Jäsenneltyjen kokeiden ja matematiikan avulla klassinen fysiikka otti vallan. Sitten, 300 vuotta myöhemmin, 1900-luvun alussa, klassinen fysiikka itsessään haastettiin, ja ovi avautui modernille fysiikalle, joka sisältää kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian.

Se saattaa saada pääsi pyörälle! On hyvä syy olla kiitollinen useille keksinnöille, jotka on tehty fysiikan mutkaisen historian saatossa. Koska ilman niitä, ei voisi soittaa musiikkia juhlissa. Oikeastaan ei tarvitse mennä kauaskaan ajassa taaksepäin, kun alkaa jo kaivata kaikkia hyödyllisiä asioita, joita fysiikka on tuonut tullessaan.