Füüsika

Füüsika ajaloo ülevaade

Eestikeelse põhjaliku ülevaate füüsika ajaloost on välja andnud 2013. aastal Ivar Piir. Antud ülevaade on kättesaadav ka elektroonilisel kujul ja leidub siin vaid lühike ülevaade. 
Ilmselt on juba aegade algusest saati inimesed püüdnud luua meid ümbritseva maailma käitumist kirjeldavaid ja ennustavaid mõttemudeleid. Näiteks kehade kukkumisest, materjalide  omadustest, erinevad teooriaid Maa kuju ning taevakehade, eriti Päikese ja Kuu käitumise kohta. Teooriaid sõnastati enamasti filosoofilises vormis ning neid ei kontrollitud tänapäeva mõttes katseliselt. Antiikajal paistis looduse füüsikalise kirjeldajana silma Archimedes, kes avastas mehaanikas ja hüdrostaatikas kvantitatiivseid seadusi, mis leiavad kasutust ka tänapäeval.
17. sajandi alguses sõnastas Galileo Galilei inertsiseaduse. Aastal 1687 avaldas Isaac Newton raamatu "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" ("Natuurfilosoofia matemaatilised printsiibid"), kus ta esitas kaks mastaapset teooriat: Newtoni seadused, millest sai alguse klassikaline mehaanika, ja gravitatsiooniseaduse, mis kirjeldab gravitatsiooni, üht fundamentaalsetest jõududest. Klassikalist mehaanikat täiustasid Joseph-Louis Lagrange, William Rowan Hamilton ja teised. Gravitatsiooniseadusest sai alguse astrofüüsika, mis kirjeldab astronoomianähtusi füüsikateooriate alusel.
Eesti füüsika ajaloos on suur roll Tartu Ülikoolil, mis on tänaseni siinse piirkonna üks tähtsamaid loodusteaduste uurimiskeskuseid. Füüsika ajaloost Tartu Ülikoolis on esitatud põgus ülevaade Ivar Piiri poolt Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi kodulehel. Kuulsaimate Tartu Ülikooliga seotud olnud füüsikute hulgas on näiteks G.F. Parrot, J.F. Parrot, A.J. v. Oettingen, Heinrich Emil Lenz, Moritz Herman Jacobi, Boriss Golitsõn ja Ernst Öpik.

Peamised teooriad

Kuigi füüsikas tegeletakse paljude erinevate loodusnähtuste kirjeldamisega, on teatud teooriad füüsikute hulgas laias kasutuses. Nende teooriate kehtivust kinnitavad lugematud katsed. Näiteks on klassikalise mehaanika abil võimalik täpselt kirjeldada kehade liikumist, kui vaadeldavate kehade mõõtmed on kordades suuremad aatomitele iseloomulikest suurustest ja kui vaadeldav keha liigub kordades aeglasemalt valguse kiirusest. Vaatamata sõnale "klassikaline" uuritakse neid teooriad aktiivselt ka tänapäeval. Märkmimisväärne lisandus klassikalisele mehaanikale oli kaoseteooria (mittelineaarne dünaamika), mille alused formuleeriti alles 20. sajandil ehk kolm sajandit pärast klassikalise mehaanika aluste sõnastamist Isaac Newtoni (1642–1727) poolt.
Need kesksed teooriad leiavad laialdast kasutust keerukamate teemade uurimisel ja füüsikud peavad neid hästi tundma sõltumata oma kitsamast erialast. Nende kesksete teooriate hulka kuuluvad klassikaline mehaanika, kvantmehaanika, termodünaamika ja statistiline mehaanika, elektromagnetism ja erirelatiivsusteooria.

Klassikaline füüsika

Klassikaline füüsika sisaldab füüsika traditsioonilisi harusid ja teemasid, mis olid tuntud ja välja arenenud juba enne 20. sajandi algust — klassikaline mehaanika, akustika, optika, termodünaamika ja elektromagnetism. Klassikaline mehaanika käsitleb liikumises olevaid kehasid ja kehasid millele mõjuvad jõud. Klassikalist mehaanikat võib jaotada staatikaks (uurib jõudude mõju kiirenduseta liikuvatele kehale või kehadele), kinemaatika (uurib liikumist jättes kõrvale liikumise põhjused) ja dünaamika (uurib liikumist ja liikumist mõjutavaid jõudusid). Mehaanikat saab jaotada ka uuritavate kehade omaduste alusel tahkisemehaanikaks ja vooliste mehaanikaks (mis kokku on tuntud kui pideva keskkonna mehaanika). Tahkisemehaanika hõlmab tugevusõpetust, elastsus- ja plastsusteooriat. Vooliste mehaanika hõlmab harudena hüdrostaatika, hüdrodünaamika, aerodünaamika ja pneumaatika. Akustika uurib helide teket, levimist ja tajumist (vastuvõtmist). Olulised kaasaegsed akustika harud on teiste hulgas ultraheli (helid, mille sagedus ületab keskmise inimese kuuldeläve), bioakustika (uurib loomade helide tekitamist, taju ja kasutamist) ja elektroakustika (uurib kuuldavate helide mõõtmist, muutmist ja tekitamist elektroonika abil). Optika, mis uurib valgust, ei piirdu vaid inimesele nähtava valguse uurimisega ja uurib ka infrapunakiirgust ja ultraviolettkiirgust, mis mõlemad käituvad nähtava valgusega sarnaselt (esineb samuti peegeldumine, murdumine, interferents, difraktsioon, dispersioon ja polarisatsioon). Soojus on energia vorm, mis tekib aineosakeste siseenergiast ning termodünaamika tegeleb soojuse ja teist liiki energia vaheliste seoste uurimisega. Elektrit ja magnetismi on uuritud ühe füüsika haruna pärast nende omavahelise fundamentaalselt lähedase seose avastamist 19. sajandil. Nimelt (elektrivool tekitab magnetvälja ja muutuv magnetväli tekitab elektrivälja). Elektrostaatika uurib paigalseisvaid elektrilaenguid, elektrodünaamika liikuvaid laenguid ja magnetostaatika paigalseisvaid magnetilisi pooluseid.

Kaasaegne füüsika

Üldiselt võib klassikaliseks lugeda füüsikat, mis käsitleb ainet ja energiat inimmõõtmetele lähedastel suurustel ja kaasaegseks füüsikat, mis käsitleb aine ja energia käitumist äärmuslikes tingimustes ehk väga väiketsel või äärmiselt suurtel mõõtmetel. Näiteks aatomifüüsika ja tuumafüüsika uurivad ainet ja tema käitumist väikseimatel mõõtmetel millel keemilisi elemente saab tuvastada. Osakeste füüsika tegeleb viimastest veel väiksematel mõõtmetel ehk aine veel elementaarsemate osakestega. Osakeste füüsikat tuntakse ka kõrge energia füüsikana ja seda suurte energiate tõttu, mida on vaja osakestekiirendites, et antud fundamentaalosakesi tekitada ja uurida. Osakeste füüsikas vaadeldavate ruumimõõtmete puhul ei kehti paljud tavapärased arusaamad ajast, ruumist, ainest ja energiast.
Kaasaegse füüsika kaks peamist teooriat esitavad klassikalisest füüsikast erinevaid teooriaid ruumist, ajast ja ainest. Klassikalises mehaanikas käsitletakse loodust pidevana. Kvantfüüsika uurib mittepidevaid (diskreetseid) nähtusi aatomite ja aatomitest väiksematel mõõtmetel, kus nähtuste kirjeldused tulenevad aine eksisteerimisest teineteist täiendavate osakeste või lainetena. Relatiivsusteooria käsitleb nähtusi, mis leiavad aset vaatleja suhtes liikuvas taustsüsteemis. Erirelatiivsusteooria käsitleb liikumist gravitatsioonivälja olemasolu arvestamata ja üldrelatiivsusteooria liikumist gravitatsioonivälja olemasolu tõttu. Kvantfüüsika teooria ja relatiivsusteooria leiavad rakendust kõikides kaasaegse füüsika valdkondades.

Erinevused klassikalise ja kaasaegse füüsika vahel

Füüsikas üritatakse leida kõikjal kehtivaid üldisi loodusseadusi. Samas tasub ühtesid füüsikateooriaid eelistada teistele vastavalt kirjeldatava nähtuse omadustele. Üldiselt kirjeldavad klassikalise mehaanika teooriad piisava täpsusega nähtusi, mille iseloomulikud pikkused on oluliselt suuremad aatomite suurustest ja mille liikumiskiirus on valguse kiirusest oluliselt väiksem. Kui antud tingimused ei ole täidetud, ei võimalda klassikalise mehaanika teooriad vastavaid nähtusi enam täpselt kirjeldada. Albert Einstein töötas välja erirelatiivsusteooria, mis asendas eraldiseisvad absoluutse aja ja ruumi idee ühtse aegruumiga, mille abil on võimalik täpselt kirjeldada nähtuseid, mille puhul toimub liikumine valguskiiruse lähedastel kiirustel. Max Planck ja Erwin Schrödinger koos teiste füüsikutega panid kirja kvantmehaanika alused, mis oma tõenäosusliku osakeste ja osakeste vastasmõjude mudelite läbi tegi võimalikuks nanomõõtmetes toimuvate nähtuste kirjeldamise. Hiljem ühendati kvantmehaanika erirelatiivsusteooriaga kvantväljateoorias. Dünaamilist ja kõverustega aegruumi võimaldab üldrelatiivsusteooria, mis lubab hea täpsusega kirjeldada väga suuremõõtmelisi ja suurte massidega süsteemide nagu universumi ehitust. Üldrelatiivsusteooriat ei ole siiani suudetud ühendada teiste alusteooriatega ja välja arendamisel on mitmeid kvantgravitatsiooni kirjeldavaid konkureerivaid teooriaid.

Füüsika alused ja füüsikale toetuvad teadused

Looduses leiduva korrapära kirjeldamise sobivaimaks keeleks on oma kompaktsuse ja täpsuse tõttu matemaatika. Seda ideed märkisid ja soosisid eri kujul juba näiteks Pythagoras, Platon, Galileo Galilei ja Newton.
Füüsika kasutab matemaatikat erinevate vaatluste (katsetulemuste) organiseerimiseks ja tõlgendamiseks. Antud katsetulemustest tuletatakse täpsed või lähendatud seosed ehk kvantitatiivsed seosed, mis võimaldavad koostada katseliselt kontrollitavaid uusi ennustusi. Füüsikakatsete tulemusteks on enamasti mõõtühiku ja mõõtevea hinnanguga numbrilised andmed. Seejuures on matemaatikal põhinevad tehnoloogiad nagu arvutusteadus teinud arvutuslikust füüsikast aktiivselt areneva teadusvaldkonna.
Füüsika kirjeldab otseselt füüsilist (materiaalset) maailma, kasutades vahendina matemaatikat, matemaatika aga otseselt füüsilist maailma ei kirjelda, vaid uurib matemaatilisi objekte ja nendevahelisi seoseid. Füüsika teooriad peavad olema vaatluste ja katsete abil kontrollitavad, matemaatika tulemused tõestatakse matemaatilise loogika abil, kasutamata füüsikalist vaatlust. Matemaatika ja füüsika on oma aine ja meetodite poolest erinevad ja neid on üldiselt võimalik eristada. Näiteks matemaatiline füüsika tegeleb füüsikas kasutatavate matemaatiliste mudelitega, uurides matemaatilisi objekte puhtmatemaatiliste meetoditega, olles seega osa matemaatikast.  
Puhas füüsika kuulub alusuuringute (alusteaduste) hulka. Füüsikat kutsutakse ka peamiseks alusteaduseks, sest teised loodusteadused, nagu keemia, astronoomia, geoloogia ja bioloogia, toetuvad oluliselt füüsika teooriatele.  
Rakendusfüüsika on mõiste, mida kasutatakse uurimitöö kohta füüsikas millel on selge rakendus. Üldistades võib öelda, et erinevalt insenerist ei proovi rakendusfüüsik luua midagi, mis lahendab mingeid konkreetseid probleeme, vaid teeb füüsikas uurimistööd, et luua probleeme lahendavaid uusi tehnoloogiaid. Sarnaselt rakendusmatemaatikaga kasutavad rakendusfüüsikud füüsikat enda teadusuuringutes. Näiteks kiirendite füüsika üks eesmärke on ehitada paremaid osakeste loendureid uurimistöö jaoks teoreetilises füüsikas. 
Füüsika teooriaid kasutatakse laialdaselt inseneride poolt. Näiteks sildade ja paljude teiste ehitiste projekteerimisel rakendatakse oluliselt staatikal põhinevaid teooriaid. Tänu akustika teooriatele ja oskusele antud teooriaid rakendada oskavad arhitektuuriakustikud projekteerida heakõlalisemaid kontsertisaale. Füüsika teooriate põhjal on võimalik reaalsust järele aimata ehk luua tegelikkusele lähedasemaid lennusimulaatoreid, arvutimänge ja filme.