Fysiikan tutkimus

Fysiikan tutkimus on enimmäkseen yliopistoissa ja instituuteissa tehtävää fysikaalisten ilmiöiden tutkimusta. Sen tavoitteena on ymmärtää maailmankaikkeuden rakennetta ja löytää havaituille ilmiöille matemaattinen esitystapa. Fysiikan tutkimus on merkittävä osa nykyaikaista yhteiskuntaa ja sen tulokset ovat monien ihmiskuntaa hyödyttävien keksintöjen taustalla.
Fysiikan tutkimukselle ominaista on löytää uusia ilmiöitä ja kehittää löydetyistä ilmiöistä uusia mittausmenetelmiä. Esimerkiksi fyysikoiden löytämät ilmiöt ja kehittämät menetelmät kuten NMR-spektroskopia, röntgensäteily, tunnelointimikroskooppi ja positroniemissiotomografia ovat laajassa käytössä myös fysiikan tutkimuksen ulkopuolella. Menetelmiä käytetään lääketieteessä, sekä farmasian, kemian ja biologian aloilla erilaisten aineiden ja eliöiden tutkimiseen. Moni teknisesti vaativa fysiikan ala, kuten hiukkasfysiikka ja avaruustutkimus, puolestaan edistää vaatimuksillaan teknistä ja tietoteknistä osaamista.

Tutkimuksen osa-alueet

Fysiikan tutkimus voidaan jaotella erilaisiin osa-alueisiin riippuen tutkimustavasta ja tutkimuksen tavoitteista sekä luonnollisesti erilaisiin erikoisaloihin tutkimuskohteiden mukaan.

Kokeellinen ja teoreettinen tutkimus

Yleisellä tasolla fysiikan tutkimus voidaan jakaa teoreettiseen ja kokeelliseen tutkimukseen. Havaitsemalla luonnonilmiöitä pyritään löytämään ilmiöön liittyviä malleja ja periaatteita. Kokeellinen havainnointi siis mahdollistaa ilmiöt selittävien teorioiden muodostamisen.
Kokeellisessa tutkimuksessa fysikaalista ilmiötä testataan mittalaittein. Fysiikan kokeellisen tutkimuksen kolme pääteemaa ovat (1) uusien ilmiöiden löytäminen, (2) nykyisten teorioiden testaaminen ja soveltaminen, sekä (3) pyrkimys mitata erilaisten fysikaalisten vakioiden arvoja aina vain tarkemmin. Tärkeä osa kvantitatiivista kokeellista tutkimusta on virhearvioiden määrittäminen mitatuille suureille.
Teoreettisessa tutkimuksessa pyritään ennustamaan uusia fysikaalisia ilmiöitä tai selittämään jo havaittuja. Teoreettista tutkimusta voidaan tehdä johtamalla jo tunnetuista lainalaisuuksista uusia tai soveltamalla niitä esimerkiksi simulaatiossa. Jos teoreettinen malli rakennetaan jo tunnetuista yhtälöistä ilman sovitettuja parametreja, sanotaan, että malli on johdettu ab initio (engl. from first principles) eli ”alusta asti”. Ideaalitapauksessa kaikki tutkimus voisi olla teoreettista, jos tunnetut yhtälöt kuvaisivat todellisuutta tarpeeksi hyvin. Silloin kaikki tilanteet voitaisiin testata simulaatiossa eikä kokeita enää tarvittaisi. Nykyisillä molekyylien liikettä ja sitoutumista koskevilla simulaatioilla kyetään saamaan jo melko hyvin todellisuutta vastaavia tuloksia esimerkiksi pienten molekyylien tapauksessa ja lyhyillä aikaskaaloilla. Monimutkaisempia, isoja molekyylijoukkoja koskevia ilmiöitä ei pystytä ennustamaan kovin pitkälle johtuen paitsi niihin liittyvistä suurista parametrimääristä, myös systeemien luontaisesta kaoottisuudesta. Tällöin on tyydyttävä tilastollisiin malleihin eli tutkimaan erilaisten numeeristen ratkaisujen todennäköisyyksiä. Kaoottisuuden vuoksi esimerkiksi sään ja ilmastonmuutoksen tarkka ennustaminen on hankalaa jopa supertietokoneilla.

Perustutkimus ja sovellettu tutkimus

Toisaalta tutkimus voidaan myös jakaa perustutkimukseen ja sovellettuun tutkimukseen. Perustutkimuksessa tutkittavalla aiheella ei ole heti nähtävissä suoranaista sovellutusta vaan tutkimusta tehdään silkasta uteliaisuudesta tarkoituksena tuottaa uutta tietoa. Osa perustutkimuksesta saattaa kuitenkin ennemmin tai myöhemmin johtaa merkittäviin sovelluksiin, joita kukaan ei arvannut odottaa. Perustutkimuksen tulosten soveltaminen uusiin käytännön ongelmiin on soveltavan tutkimuksen tavoite ja vaikka joistakin tuloksista sovellutukset ovat seuranneet hyvinkin pian löydön jälkeen, käytännössä uuden tutkimuksen hyödyntämismahdollisuudet nähdään usein vasta vuosien päästä. Esimerkkejä sovelluksia löytäneistä fysiikan käsitteistä ja keksinnöistä ovat muiden muassa energia, sähkömagnetismi, röntgensäteily, suppea suhteellisuusteoria, laser, NMR-ilmiö, ja suuri magnetoresistanssi.

Ennen 1900-lukua

Modernin tieteen, mukaan lukien fysiikan, kehityksen voidaan katsoa saaneen alkunsa antiikin Kreikasta. Kun luonnonilmiöitä pyrittiin aikaisemmin selittämään mytologioilla, 600. vuosisadalla ennen ajanlaskun alkua kreikkalaiset filosofit alkoivat selittää ilmiöitä perustuen havaintoihin, syihin ja logiikkaan. Kokeellista tutkimusta silloiset filosofit eivät kuitenkaan tehneet. Kuuluisia Museionin luonnonfilosofeja olivat muun muassa Arkhimedes, Eukleides ja Ptolemaios.
Nykyisen fysiikan, ja yleisemmin koko tieteen kokeelliset tutkimusmenetelmät on luotu keskiajan islamilaisen tieteen kukoistusaikana ja sittemmin Euroopassa uuden ajan alussa, tieteellisen vallankumouksen aikaan, aluksi Galileo Galilein, René Descartesin ja Isaac Newtonin töiden myötä. Ennen tätä uuden ajan alussa suosioon tullutta empirististä tieteenfilosofiaa oli tyydytty lähinnä luonnonfilosofisiin pohdintoihin ja auktoriteettiuskoon. Tieteellisen vallankumouksen jälkeen luonto ymmärrettiin ikään kuin mekaanisten lakien alaisena koneena, jota voitiin tutkia kokeellisin menetelmin ja jonka toimintaa voitiin ennustaa matematiikan avulla. Vielä 1700-luvulla luonnonfilosofian tutkimus ei kuitenkaan yleensä ollut kvantitatiivista – tieteellinen menetelmä ei ollut vielä täysin kehittynyt – eikä järjestelmällistä opetusohjelmaa tutkijoiden kouluttamiseksi ollut. Fysiikan tutkimus erkani vähin erin luonnonfilosofiasta, eriytyen lopulta omaksi tieteekseen vasta 1800-luvun aikana.

1900-luku

1800-luvun lopussa fysiikan tutkimus oli muodostunut organisoiduksi ja kansainväliseksi toiminnaksi. Tutkimuksen kärkimaita olivat Britannia, Saksa, Ranska ja Yhdysvallat. Tutkimus keskittyi 1890-luvulta vuosisadan alkuun pääasiassa kuuden, tuoreen perusaiheen ympärille: röntgensäteilyyn, elektroniin, eetteriin, kaasujen, nesteiden ja kiinteän aineen tilastolliseen esitykseen, radioaktiivisuuteen sekä sähkömagneettisen spektrin pitkäaaltoiseen osaan. Vuosisadan alkuun saakka fysiikan tutkimus oli käytännössä eurooppalaisten harteilla, sillä Yhdysvalloissa tehtiin selvästi heikommin perustutkimusta. MIT:n rehtorin toteamus vuodelta 1889 kertoo kuitenkin opiskelijoiden arvostamisesta: ”tavoitteemme tulee olla huolehdi opiskelijasta, ei tieteellisistä keksinnöistä, ei ammatillisista saavutuksista.” Myös 1900-luvun alun Japanissa fysiikkaa opiskeltiin Tokion ja Kioton yliopistoissa, mutta Japani ei vielä tuolloin ollut fysiikan tutkimuksen kärkimaita. 1900-luvun alussa Saksan fyysikkoseura oli kansainvälisesti katsottuna fysiikan tutkimuksen huipulla ja siten suuri osa fysiikan tutkimuksesta julkaistiin saksaksi. Eurooppalaisen fysiikan tutkimuksen tuolloinen taso näkyy paitsi siinä, että vuonna 1900 maailman vajaasta 900:sta fyysikosta runsas 600 oli kotoisin Euroopasta, myös muun muassa keskieurooppalaisille fyysikoille jaettujen Nobelin fysiikanpalkintojen suurena määränä vuosina 1901–1920. Nobel-palkinnon jakamiseen liittyy myös politiikkaa, mutta Euroopan johtoasema tuona ajanjaksona on silti ilmeinen.
Japanissa fysiikan tutkimus pääsi kunnolla käyntiin vasta 1930-luvulla. Tutkimuskeskus Rikeniin ensimmäisen syklotronin rakennuttanutta Yoshio Nishinaa pidetään Japanin modernin fysiikan tutkimuksen isänä, sillä hän pystyi ensimmäisenä rikkomaan perinteiset roolijaot ja kannusti vapaaseen ideoiden vaihtoon ja yhteistyöhön fysiikan perustutkimuksen edistämiseksi. Samaan aikaan natsien valtaannousun myötä Saksan johtoasema fysiikan tutkimuksen mahtimaana mureni ja Yhdysvallat nousi tutkimuksen kärkeen. Samalla fysiikan julkaisukieleksi vakiintui englanti. Yhdysvaltalaiset rekrytoivat lahjakkaita tutkijoita ulkomailta, mutta heillä oli paljon myös omaa osaamista. Lisäksi monet saksalaiset tai Saksan toisen maailmansodan aikana valloittamien maiden huippufyysikot pakenivat juuri Yhdysvaltoihin ja Yhdistyneeseen kuningaskuntaan. Näihin pakoon lähteneisiin lukeutuvat muiden muassa Albert Einstein, Niels Bohr ja Erwin Schrödinger. Noin puolet fysiikan Nobel-palkinnoista on 1920-luvulta lähtien mennyt yhdysvaltalaisille tutkijoille. Toisaalta nykyään suuri osa yhdysvaltalaisten yliopistojen tutkijoista ja opiskelijoista on alkujaan ulkomaalaisia.
2000-luvun taitteessa Eurooppa on nousemassa takaisin fysiikan tutkimuksen kärkeen, kun suuriin tutkimushankkeisiin on keskitetty runsaasti voimavaroja. Kokeellisen fysiikan tutkimuksen taso on hyvin riippuvainen siihen sijoitetusta rahamäärästä. Kokeellinen hiukkasfysiikan tutkimus ei esimerkiksi ole mahdollista ilman mittavia sijoituksia hiukkaskiihdyttimiin ja niiden vaatimaan alusrakenteeseen. 1970-luvulta lähtien on myös Aasian kokeellinen fysiikan tutkimus noussut maailmanlaajuiseen huomioon.

Tutkimusryhmän rakenne

Tutkimusryhmän perusrakenne on muuttunut historian saatossa. 1800-luvun Italiassa tyypillinen tutkimusryhmä fysiikan alalla koostui professorista, assistentista ja teknikosta. Osa tutkimuksesta tehtiin myös yläkouluissa, koska nuorille fyysikoille ei ollut tarjolla akateemista virkaa. Nykyään tutkimusryhmiä yliopistoissa johtaa yleensä professori tai professoreja, joiden ohjauksessa työskentelee vaihtelevissa määrin laitoksen opetushenkilökuntaa, tutkijatohtoreita, väitöstyöntekijöitä, ja maisterin tai diplomi-insinöörin tutkintoa opiskelevia tutkimusassistentteja sekä vierailevia tutkijoita. Kokeellisen fysiikan tutkimuksessa ryhmään voi myös kuulua insinöörejä tai teknikkoja.
Professorit ja tutkijatohtorit toimivat väitöstyöntekijöiden ja maisteriopiskelijoiden ohjaajina. Opiskelijat oppivat yleensä tutkimuksen perusperiaatteet tällaisessa tutkimusryhmässä ja he osallistuvat täysipainoisesti tutkimuksen tekemiseen. Tutkijan ura jatkuu väitöstyön jälkeen yleensä tutkijatohtorikaudella (engl. postdoctoral fellow), jonka aikana tuore tohtori työskentelee muutamia vuosia jossain toisessa instituutissa tai yliopistossa. Osa opiskeluista tai tutkijatohtorikaudesta saatetaan tehdä ulkomailla.

Tutkijoiden tapaamiset

Tutkijat tapaavat toisiaan konferensseissa, joissa he esittävät muille tuoreimmat tutkimustuloksensa ja luovat uusia yhteyksiä. Tutkimustulosten esittäminen konferensseissa ennen niiden julkaisemista on yksi tapa saada arvostelua ja palautetta muilta tutkijoilta. Tavoitteena on myös tehdä omaa tutkimusta tunnetuksi. Fyysikoiden työ on ollut pitkään kansainvälistä ja eri kansalaisuuksiin kuuluvien fyysikoiden yhteistyö oli hyvin yleistä jo 1800-luvulla. Mittavia konferensseja ei juuri pidetty ennen 1900-luvun alkua. Silloin järjestettiin ensimmäisen kerran Kansainvälinen fysiikan kongressi Pariisin maailmannäyttelyn yhteydessä ja vuonna 1911 aloitti perinteeksi muodostunut Solvay-konferenssi.
Nykyään konferensseja on monenlaisia. Osa keskittyy vain tiettyyn aiheeseen tuoden yhteen saman alan osaajia koulutustaustasta riippumatta. Lisäksi monet fyysikkoseurat pitävät vuosittaisia fyysikoille suunnattuja tapaamisia heidän tutkimusaiheestaan riippumatta. Tällaisia yleisiä kokouksia järjestävät muun muassa yhdysvaltalainen American Physical Society (APS), saksalainen Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) ja myös Suomen fyysikkoseura. Fyysikkoseurojen kokousten osanottajamäärä riippuu paljon seuran koosta. Esimerkiksi maailman suurimman fyysikkoseuran, DPG:n, järjestämään Euroopan suurimpaan kevätkokoukseen odotetaan vuosittain noin 5 000 osanottajaa.

Tutkimusaiheet

Fysiikan tutkimuksessa tutkimusaiheiden suosiota voidaan arvioida julkaisutietokantojen avulla. Vuosina 1995–2005 julkaistuissa tieteellisissä töissä viitattiin eniten tutkimuksiin, jotka käsittelivät muun muassa seuraavia tutkimusaiheita: hiukkasfysiikka, supranesteet, suprajohteet, Auringon neutriinot, kvanttipisteet, moniatomiset systeemit, magnetoresistanssimateriaalit, ilmakehän neutriinot, metalli–eriste-transitio, puolijohteet, ydinreaktio, huippu-kvarkki, tilastollinen resonanssi, Bosen–Einsteinin kondensaatit, hiilinanoputket, fotonikiteet, kaoottiset oskillaattorit, Langmuir-kalvot, kosminen mikroaaltotaustasäteily, ylimääräiset aika-avaruusdimensiot, säieteorian solitonit, suuri yhtenäisteoria, ja kvanttigravitaatio.

Kansainvälisyys

Useat isot fysiikan tutkimusprojektit ovat monikansallisia. Pelkästään Euroopassa on käynnissä useita projekteja, joiden rahoittamiseen osallistuu yli kymmenen maata. Esimerkiksi LHC-kiihdytinprojektiin CERNissä Ranskan ja Sveitsin rajalla osallistuu yhteensä 37 maata ympäri maailmaa.
Myös monissa pienen mittakaavan tutkimusprojekteissa kansainvälisyys on arkipäivää. Tutkimukset tehdään yleensä eri instituuteissa työskentelevien tutkijoiden yhteistyönä, sillä eri laboratoriot ovat erikoistuneet eri aihealueisiin. Esimerkiksi materiaalifysiikan tutkimuksissa yhdessä julkaistussa tutkimuksessa on saatettu käyttää useita eri mittausmenetelmiä, mitatut näytteet on valmistettu yhdessä laboratoriossa ja aiheen teoreettinen tarkastelu suoritettu toisessa. Lisäksi tutkijoiden siirtyminen maasta toiseen esimerkiksi tutkijatohtorikautta suorittamaan tekee tutkimusryhmistä kansainvälisiä.

Rahoitus

Ennen toista maailmansotaa fysiikan tutkimuksen rahoitus oli vähäistä. Sodan aikana Yhdysvalloissa tutkimukseen valtion käyttämä rahamäärä nousi vuosittaisesta 48 miljoonasta 500 miljoonaan Yhdysvaltain dollariin. Sodan aikaiset investoinnit fysiikan tutkimukseen helpottivat fyysikoita saamaan valtiolta rahaa hankkeisiinsa myös sodan jälkeisenä aikana.
Fysiikkaa tutkitaan pääasiassa julkisin varoin. Suuret rakennushankkeet voivat olla joko valtiollisia, useiden valtioiden tai jonkin kattojärjestön kuten YK:n tai Euroopan unionin rahoittamia. Esimerkiksi avaruustutkimusta rahoitetaan Yhdysvalloissa ja Venäjällä julkisin varoin NASAn ja Venäjän avaruusjärjestön kautta. Soveltavan fysiikan tutkimuksen rahoittajana toimii myös teollisuus. Suomessa teollisuuden innovaatioita sekä teollisuuden ja tutkimuslaitosten yhteisiä hankkeita rahoittaa muun muassa Tekes, jonka tuki eri hankkeille oli yhteensä noin 600 miljoonaa euroa vuonna 2009.
Fysiikan tutkijat saavat yleensä palkkansa joko julkisilta tai yksityisiltä yliopistoilta tai itsenäisiltä tutkimusinstituuteilta. Tutkijat voivat kuitenkin hakea myös henkilökohtaisia tai projektikohtaisia projekti- tai apurahoja erilaisilta tiedeakatemioilta ja säätiöiltä. Osa säätiöistä saa rahansa valtiolta, toiset ovat yksityisten ihmisten varoista koottuja. Suomessa projekti- ja apurahoja jakavat fyysikoille vuosittain Suomen Akatemian lisäksi muun muassa Suomalainen Tiedeakatemia, Suomen Kulttuurirahasto ja Emil Aaltosen säätiö. Apurahalla tehtävä tutkimus on kartuttanut Suomessa tutkijan eläkettä vuoden 2009 alusta lähtien, mutta apuraha ei edelleenkään oikeuta ansiosidonnaiseen työttömyyspäivärahaan, jos tutkija jää apurahakauden jälkeen työttömäksi.

Fysiikan tutkimuksen etiikka

Vaikka suuri osa fysiikan tutkimuksesta on rauhanomaista ja pyrkii edistämään teknologista kehitystä yleisellä tasolla, fyysikoiden keksimät ilmiöt eivät aina ole tuottaneet pelkästään hyvinvointia. Kuuluisa esimerkki tästä on toisen maailmansodan aikainen Manhattan-projekti, jonka tavoitteena oli tuottaa massatuhoase. Fysiikkaa koskevat eettiset kysymykset liittyvät siis läheisesti niihin eettisiin ja poliittisiin tarkoitusperiin, joihin fysiikan tutkimusta tuotetaan. Esimerkkinä puhtaasti teknisestä, tausta-arvoja kyseenalaistamattomasta tutkimuksesta voidaan mainita neutronipommin kehittäminen sotateollisuuden tarpeisiin. Pommin neutronisäteily tappaa ihmiset, mutta jättää infrastruktuurin kuten rakennukset ennalleen. Tällaiseen tutkimukseen osallistuvan fyysikon motivaatio ei välttämättä ole tuhoisa tai ihmisvihamielinen.
Kuten muillakin aloilla, yleisten eettisten kysymysten lisäksi tutkija voi kohdata eettistä ajattelua vaativia eturistiriitoja arkipäiväisessä työssään. Tutkimusta rahoittava taho tai läheinen työkollega saattaa vaatia tutkijalta tieteen sisäisten normien, kuten avoimuuden ja rehellisyyden kiertämistä tai suoranaista rikkomista.

Tieteelliset huijaukset ja tutkimustulosten sepittäminen

Kaikki tutkimus nojaa siihen, että tutkijoiden oletetaan noudattavan yhteisiä tieteen eettisiä pelisääntöjä eli tutkimusetiikkaa. Fysiikan alalla on ollut muutamia paljon huomiota saaneita tapauksia, joissa on ollut epäilyksiä tahattomasta tai tarkoituksellisesta vilpistä. Ensimmäisenä huomiota herätti vuonna 1989 keksitty kylmäfuusio, jonka väitetyn toimivuuden epäillään olleen väärin tulkittujen mittaustulosten ansiota. Kylmäfuusion mahdollisuuksia tutkitaan silti edelleen.
Vuonna 2002 paljastui Bell Labsissa työskennelleen nuoren fyysikko Jan Hendrik Schönin tekemä törkeä tieteellinen vilppi. Schön oli julkaissut sensaatiomaisia tutkimustuloksia hyvin arvostetuissa lehdissä kuten Science ja Nature. Hänet oli myös useaan kertaan palkittu tekemistään löydöistä materiaalitutkimuksen saralla ja monet povasivat hänelle jopa Nobel-palkintoa. Vuonna 2001 hän väitti keksineensä molekyylitransistorin ja julkaisi tutkimuksia uskomatonta tahtia, peräti yli 90 julkaisua noin kolmen vuoden aikana. Pian kuitenkin kävi ilmi, etteivät muut tutkijat yrityksistä huolimatta pystyneet toistamaan hänen tuloksiaan ja hänen huomattiin käyttäneet samoja mittaustuloksia eri yhteyksissä väittäen niiden olevan eri materiaaleista. Tapausta tutkinut komitea totesi Schönin väärentäneen mittaustulokset ainakin kuuteentoista julkaisuun. Samoihin aikoihin myös Lawrence Berkeley National Laboratoryssa (LBNL) paljastui tieteellinen huijaus. Laboratorion tutkijat väittivät löytäneensä alkuaineet 116 ja 118, mutta vetivät väitteensä myöhemmin takaisin.
Ennen näitä tapauksia fysiikan alalla ei ollut totuttu vilppiin, sillä vilpin oli ajateltu olevan lähinnä vaikeasti toistettavia biologisia systeemejä tutkivien tieteenalojen ongelma. Schönin tapaus järkytti tiedemaailmaa ja erityisesti fyysikoita. Eettisiin säännöstöihin alettiin kiinnittää sen jälkeen enemmän huomiota.