Fysiikka

Antiikin Kreikka

Länsimainen fysiikan ja tieteen synty ajoittuu antiikin Kreikkaan, jolloin niin sanotut esisokraatikot olivat ensimmäisiä yrittäessään selittää maailmaa tukeutumatta uskontoon tai muuhun yliluonnolliseen olioon. Leukippos ja Demokritos synnyttivät ajatuksen aineen rakenteesta. Demokritoksen mukaan aine koostui pienistä hiukkasista, joita ei voi enää jakaa osiin. Hiukkasen nimi on atomos eli atomi. Demokritos kannatti ajatusta, jonka mukaan maailmankaikkeus on muuttumaton ja ollut aina olemassa. Hänen jälkeensä syntyi filosofinen koulukunta nimeltä epikurolaisuus. Epikurolaisuus otti vaikutteita Demokritoksen ajatuksesta aineen rakenteesta ja painotti jumalten neutraalia suhtautumista ihmisten asuttamaan maailmaan. Epikurolaisuuden mukaan jumalat eivät voi vaikuttaa millään tavalla maailmankaikkeuden toimintaan.
Aristoteleen työtä fysiikan ja tieteen parissa voidaan pitää tieteenhistoriallisesti vaikuttavana, sillä hänen oppejaan käytettiin vielä 1600-luvulle. Aristoteleen mielestä kaikella pitää olla luonnollinen syy. Hänen ajattelemansa fysiikka sisälsi myös luonnon filosofian. Aristoteles pohti paljon maailmankaikkeuden toimintaan, muotoon ja rakenteeseen liittyviä asioita. Hän kuvasi Empedokleen keksimille neljälle alkuaineelle niiden peruslaadut. Tuolloin kuvitellut alkuaineet olivat tuli, vesi, maa ja ilma. Aristoteleen mukaan maailmankaikkeus on aina ollut olemassa, eikä sillä ole varsinaista syntyhetkeä. Hänen mukaansa, jos maailmankaikkeus olisi joskus syntynyt, pitäisi sen joskus myös tuhoutua. Tästä hän päätteli maailmankaikkeuden olevan ikuinen. Aristoteles kirjoitti myös teoksen Fysiikka, jossa hän selvittää kaikkeuden syvintä olemusta ja rakennetta sekä pohtii aikaan liittyviä asioita. Aristoteles myös hylkäsi atomiopin, koska piti tyhjiötä mahdottomana. Hänen mukaansa jos aine koostuisi atomeista, niin niiden väliin jäisi väistämättä tyhjiö.
Kreikkalainen filosofi Arkhimedes on tunnetuimpia antiikin tiedemiehiä. Hänet tunnetaan erityisesti matemaatikkona, mutta Arkhimedes oli myös taitava fyysikko ja insinööri. Kerrotaan, että hän keksi nimeään kantavan nesteen nosteeseen liittyvän lakinsa ollessaan kylvyssä. Arkhimedes suunnitteli myös useita sotakoneita, kuten roomalaisten laivojen purjeita polttaneen linssin ja Arkhimedeen ruuvin.

Tieteen vallankumous

Kreikkalainen kirjallisuus ja kulttuuri koki kovan kolauksen, kun Aleksandrian kirjasto poltettiin ja Rooman valtakunta miehitti Kreikan. Tieteen ja fysiikan kehitys keskeytyi oleellisella tavalla varhaiskeskiaikana, mutta alkoi hiljalleen elpyä sydänkeskiajalta lähtien. Arabien ansiosta paljon tietoa on säilynyt antiikin Kreikasta. Arabeille suunnistaminen ja laskeminen olivat tärkeitä, joten tieteet olivat olennainen osa arabiyhteiskuntaa. Uskonto suhtautui myös tieteeseen suopeasti, ainakin aluksi. 800-luvulla arabien tiedekeskukseksi kehittyi Bagdad, jonne perustettiin Viisauden taloksi kutsuttu korkeakoulu. Korkeakoulussa käännettiin kreikkalaisten tekstejä arabiaksi ja harjoitettiin omaa tutkimusta. Arabien nykyiseen Espanjaan perustamat laajat kirjastot olivat olennainen osa kun eurooppalaiset alkoivat kääntää antiikin lähteitä arabiasta latinaksi.
1600-luvulle asti tieteessä vallinneet käsitykset olivat etupäässä peräisin Raamatusta sekä Aristoteleen ja muiden antiikin filosofien opeista. Lopulta kirkon vallan rapistuminen sekä maailmankuvan muuttuminen ja uudet innovaatiot aloittivat tieteellisen vallankumouksen, jonka katsotaan alkaneeksi vuonna 1543, jolloin Nikolaus Kopernikus julkaisi De revolutionibus orbium coelestium -teoksen. Kopernikus kuoli pian julkaisemisen jälkeen. Katolisen kirkon vallan murenemiseen vaikuttivat kirjapainon kehittäminen ja kirkon sisäiset ongelmat.
Yhtenä suurimpana fyysikkona pidetty Galileo Galilei vastusti näyttävästi kirkon oppeja. Galilei loi pohjan klassiselle fysiikalle ja häntä kutsutaan usein klassisen fysiikan isäksi. Galilei teki paljon liikkeeseen liittyviä tutkimuksia. Yksi kuuluisimmista tarinoista on, että Galilei pudotteli eri painoisia kappaleita Pisan kaltevasta tornista. Galilei huomasi mittaustensa ja Aristoteleen oppien välillä ristiriidan: kappaleiden putoamisaika ei riipu kappaleiden massasta. Galilei kehitti myös nykyisen tieteellisen menetelmän, jonka mukaan teorian ja kokeiden pitää olla sopusoinnussa. Muita Galilein aikalaisia olivat Christiaan Huygens, Johannes Kepler ja Blaise Pascal. Samalla vuosisadalla termodynamiikka alkoi kehittyä nopeasti. Jo Galilei esitti lämpömittarin toimintaperiaatteen, mutta varsinaisesti termodynamiikan isänä voidaan pitää Otto von Guerickea, joka kehitti 1650-luvulla ensimmäisen tyhjiöpumpun. Termodynamiikkaa kehittivät von Guericken jälkeen muun muassa Thomas Young ja Robert Boyle.
Tieteen vallankumous kulminoitui vuoteen 1687, jolloin Isaac Newton julkaisi teoksensa Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Teoksessaan Newton esittelee liikelakinsa, johon klassinen mekaniikka perustuu. Principiassaan Newton esittelee painovoimalakinsa sekä muutaman teorian koskien virtausdynamiikkaa. Myöhemmin klassista mekaniikkaa muokkasivat ja laajensivat erityisesti Leonhard Euler, Joseph-Louis Lagrange, William Rowan Hamilton ja monet muut, jotka tekivät uusia löytöjä teoreettisen fysiikan alalla.
Vuonna 1738 Daniel Bernoulli julkaisi teoksensa Hydrodynamica, joka käsitteli statiikan teoriaa ja nesteiden liikkeitä. Samalla teos loi pohjan kineettiselle kaasuteorialle. Kuusikymmentä vuotta myöhemmin Benjamin Thompson havainnollisti, kuinka mekaaniseen työhön käytetty energia muuttuu lopulta lämmöksi, ja vuonna 1847 James Joule sai mitatuksi, mikä määrä mekaanista energiaa vastaa mitäkin lämpömäärää. Tämän perusteella Hermann von Helmholtz esitti yleisen energian säilymislain.
Vuonna 1808 John Dalton esitti epäsuorasti mallin, joka viittasi atomien olemassaoloon.
Fysiikan suurimpiin tutkimusalueisiin kuului 1800-luvulla sähkö. Robert Boylen, Stephen Grayn ja Benjamin Franklinin 1600- ja 1700-luvulla tehdyt tutkimukset koskien sähköä antoivat edellytykset sähkön tutkimiselle. Nämä tutkimukset johtivat sähkövirran ja jännitteen havaitsemiseen. Englantilainen fyysikko Michael Faraday esitteli näkemystä magnetismin ja sähkön yhdistämiselle. Tätä hän havainnollisti liikuttelemalla magneettia johtimen ympärillä siten, että johtimeen indusoitui jännite.
Skotlantilainen James Clerk Maxwell esitteli 1800-luvulla yhtälönsä, joissa hän kuvaa sähkö- ja magneettikenttiä sekä niiden vuorovaikutusta. Ne johtivat myös päätelmään, että valokin on sähkömagneettista aaltoliikettä. 1800-luvun lopulla saksalainen Wilhelm Röntgen löysi röntgensäteilyn ja sai havainnostaan ensimmäisen Nobelin fysiikanpalkinnon.
Ihmisen usko fysiikkaan ja muihin tieteisiin kohosi nopeasti huippuunsa. 1800-luvulla tehdyt valtavat löydöt saivat ihmiset uskomaan tieteeseen ja siihen, että tiede ratkoo kaikki ihmisten ongelmat tulevaisuudessa.

Moderni fysiikka

1900-luvun alussa huomattiin, ettei silloin tunnettu fysiikka kuvaa tarpeeksi tarkasti tunnettua luontoa. Vuonna 1900 Max Planck kehitti Gustav Kirchhoffin ajatusten ja mustan kappaleen säteilyä koskevien tutkimustulosten pohjalta idean, jonka mukaan säteilyenergia koostuu pienistä yksiköistä, energiakvanteista. Yksittäisen kvantin energia saadaan kertomalla säteilyn taajuus eräällä yleisellä luonnonvakiolla, Planckin vakiolla.
Viisi vuotta myöhemmin Albert Einstein julkaisi tutkimuksen, jossa hän Planckin ideaa apuna käyttäen selitti valosähköisen ilmiön. Einstein julkaisi samana vuonna myös suppean suhteellisuusteorian ja selitti Brownin liikkeen, jota oli pyritty selittämään useaan otteeseen ennen Einsteinia. Albert Einstein oli merkittävä hahmo modernissa fysiikassa; päätöidensä lisäksi hän oli mukana kehittämässä kvanttimekaniikkaa.
Vaikka fysiikalla on usean tuhannen vuoden historia, fyysikot eivät olleet 1900-luvun alussa vieläkään yhteisymmärryksessä aineen rakenteesta. Tuolloin vallitsevana mielipiteenä oli samankaltainen kuin Demokritoksen aiemmin esitetty idea. Fyysikot totesivat, että aine koostuu atomeista. Ennen 1900-lukua J. J. Thomson suunnitteli kokeen, joka vaikutti käsitykseen atomien rakenteesta. Kokeessa havaittiin, että katodisäteet koostuivat negatiivisesti varautuneista hiukkasista, elektroneista. Yksi atomin rakenneosista oli löytynyt. Thomson sai havainnostaan Nobelin fysiikanpalkinnon ja myöhemmin hänen poikansa sai Nobelin fysiikanpalkinnon elektronien aaltoluonteen löytämisestä.
Modernin fysiikan ja klassisen fysiikan taitteessa Pierre ja Marie Curie havaitsivat, että jotkin aineet olivat radioaktiivisia. Henri Becquerel löysi samaisen ilmiön tosin aiemmin, muttei ollut varma mitä oli löytänyt. Marie Curie oli fysiikan ja kemian harvoja merkittäviä naishahmoja. Curien löytöjen pohjalta syntyi uusi fysiikan haara, ydinfysiikka. Aivan alkuaikoina röntgensäteilyn ja radioaktiivisissa prosesseissa syntyneen säteilyn vaarallisuutta ei tiedostettu, ja monet tutkijat altistuivat vaaralliselle säteilylle liiaksi. Myös Marie Curie työskenteli radioaktiivisten aineiden kanssa ilman kunnollisia suojavarusteita. Hän kuoli leukemiaan 1934.
Uusiseelantilainen fyysikko Ernest Rutherford löysi vuonna 1911 atomin ytimen pommittaessaan alfa-hiukkasia ohutta kultalevyä kohti. Rutherford totesi useimpien hiukkasten menevän kultalevystä läpi, mutta yllätyksekseen hän havaitsi, että osa hiukkasista sirosi takaisin päin. Tästä hän päätteli, että suurin osa atomin massasta sijoittuu hyvin pieneen ytimeen, jossa on positiivisesti varautuneita hiukkasia, protoneja. Vuonna 1932 James Chadwick löysi neutronit, jotka osoittautuivat myös ytimen osasiksi.
Tanskalainen Niels Bohr oli yksi suurimmista kvanttiteorian kehittäjistä ja puolestapuhujista. Bohr esitteli vuonna 1913 mallin atomin rakenteesta. Bohrin mallin mukaan elektronit sijoittuvat ytimen ympärille radoille, joiden energia kasvaa sitä suuremmaksi, mitä kauemmaksi ytimestä mennään. Malli ei kuitenkaan vastannut todellisuutta kovinkaan hyvin, ja myöhemmin malli korvautui kvanttimekaanisella atomimallilla, jonka mukaan elektronit eivät sijaitse tietyssä avaruuden pisteessä vaan ne sijaitsevat tietyllä todennäköisyydellä tietyssä pisteessä.
Kun kvanttiteorian mukaan valolla on sekä aalto- että hiukkasluonne, sai Louis de Broglie vuonna 1924 aiheen olettaa, että samoin on elektronien ja muidenkin alkeishiukkasten laita. Oletus osoittautui oikeaksi ja on kvanttimekaniikan perustana. Kvanttimekaniikan suurimpia kehittäjiä olivat muun muassa Erwin Schrödinger, Paul Dirac ja Werner Heisenberg.
1900-luvun puolivälissä kvanttimekaniikan käsitteitä kehitettiin edelleen ja syntyi niin sanottu kvanttikenttäteoria. Kvanttikenttäteorian alullepanijoita olivat Richard Feynman, Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga ja Freeman Dyson. Edellä mainitut henkilöt laittoivat alulle kvanttisähködynamiikan, joka kuvaa sähköisesti varattujen hiukkasten vuorovaikutustapahtumia ja selitti Lambin siirtymän. Kvanttikenttäteoria tarjosi viitekehyksen hiukkasfysiikan kehittymiselle.
Ydinfysiikan ja muun fysiikan kehityksellä oli oma merkityksensä toisessa maailmansodassa. Monet Euroopasta Yhdysvaltoihin muuttaneet fyysikot sekä Yhdysvalloissa asuvat fyysikot liittyivät Manhattan-projektiin ja olivat mukana kehittämässä atomipommia. Yhdysvallat pudotti kaksi atomipommia Japaniin vuonna 1945. Tämä sai Japanin antautumaan ja toinen maailmansota loppui. Nähtyään aiheutuneen tuhon monet Manhattan-projektiin osallistuneet fyysikot katuivat osallisuuttaan kärsimysnäytelmään ja sodan jälkeen vuonna 1955 useat kuuluisat fyysikot, Einstein mukaan luettuna, allekirjoittivat Russellin–Einsteinin manifestin, joka varoitti maailman johtajia ydinpommien vaaroista.
Chen Ning Yang ja Tsung-Dao Lee huomasivat tutkimuksissaan 1950-luvulla epäsymmetriaa hiukkasten hajoamisessa. Tutkimukset johtivat seuraavien vuosikymmenien aikana ydinvoimien tutkimiseen ja niiden parempaan ymmärtämiseen. Tämä johti standardimallin luomiseen 1970-luvulla.
Yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan ristiriitaisuus johti säieteorian ja supersäieteorian syntymiseen. Supersäieteoria on yksi lupaavimmista teorioista yhdistää gravitaatio ja muut perusvuorovaikutukset.
Yhdistyneet kansakunnat julisti vuoden 2005 fysiikan vuodeksi. Tämä oli kunnianosoitus Albert Einsteinin sataa vuotta aikaisemmalle uskomattomalle vuodelle 1905 (lat. Annus mirabilis), jolloin hän julkaisi samana vuonna useita modernin fysiikan kannalta merkittäviä tutkimuksia.

Historiallinen jaottelu

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 niin sanotun historiallisen näkemyksen mukaan modernia fysiikkaa on kaikki 1900- ja 2000- luvulla tehty fysiikka.
Yleensä 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 niin sanottu 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 monimutkaisempi. Klassisten lakien nouseminen kvanttifysiikasta on dekoherenssin ansiota.

Klassinen mekaniikka

Klassinen mekaniikka on pitkälti Isaac Newtonin muotoilema ja joskus myös Newtonin mekaniikaksi kutsuttu ala, joka kuvaa makroskooppisia kappaleita ja niiden liikkeitä. Klassisessa mekaniikassa kuvataan kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia, jotka perustuvat kappaleiden massaan, sekä näiden vuorovaikutusten aikaansaamia liikkeitä. Nykytietämyksen mukaan klassinen mekaniikka ei pidä paikkaansa suurilla nopeuksilla, jotka lähentelevät valonnopeutta tai pienen kokoluokan, atomitason, ilmiöille. Se kuitenkin kuvaa hyvin tarkasti tavanomaisia ilmiöitä.
Klassisen mekaniikan liikettä kuvaavat koordinaatistojärjestelmät voidaan jakaa karkeasti kahtia inertiaalikoordinaatistoon ja epäinertiaalikoordinaatistoon. Inertiaalikoordinaatisto on koordinaatisto, jossa Newtonin lait ovat voimassa. Newtonin ensimmäisen lain mukaan kappale on levossa tai tasaisessa liikkeessä ellei siihen vaikuta ulkoisia voimia. Inertiaalikoordinaatisto on ideaalinen koordinaatisto, jota ei voi käytännössä olla olemassa. Kahdessa toistensa suhteen liikkuvassa inertiaalikoordinaatistossa on mahdotonta sanoa kumpi koordinaatisto on liikkeessä ja kumpi levossa eli kaikki inertiaalikoordinaatistot ovat keskenään samanarvoisia. Kahden inertiaalikoordinaatiston välinen siirtymä tehdään Galilei-muunnosta apuna käyttäen. Epäinertiaalisessakoordinaatistossa vaikuttavat Newtonin lakien mukaisten voimien lisäksi niin sanotut näennäisvoimat.
Klassinen mekaniikka voidaan jakaa kolmeen alaan, jotka tutkivat hieman eri asioita. Nämä alat ovat kinematiikka, dynamiikka ja statiikka. Kinematiikka tutkii kappaleen liikettä huomioimatta kappaleen massaa tai liikkeen aiheuttavia syitä. Liikettä kuvataan puhtaasti geometrisesta näkökulmasta. Dynamiikka tutkii liikettä liikkeen aiheuttavien voimien näkökulmasta. Peruslakeina ovat Newtonin kehittämät mekaniikan peruslait. Statiikka eli tasapaino-oppi tutkii levossa olevia kappaleita ja voimia, joilla ne vaikuttavat toisiinsa.
Kaasuja ja nesteitä tutkivia mekaniikan haaroja kutsutaan omilla nimillään. Nesteitä tutkivaa mekaniikan haaraa kutsutaan hydromekaniikaksi. Tämä sisältää hydrostatiikan ja hydrodynamiikan. Kaasujen mekaniikkaa tutkiva mekaniikan ala on nimeltään aeromekaniikka. Ala sisältää aerodynamiikan ja aerostatiikan.
Klassinen mekaniikka jaetaan myös sen matemaattisen lähestymistavan mukaan omiksi haaroiksi. Näitä haaroja kutsutaan nimillä: Newtonin mekaniikka, Lagrangen mekaniikka ja Hamiltonin mekaniikka. Newtonin kehittäessään mekaniikkaansa, oli Galileo Galilein kehittämällä Galilein mekaniikalla suuri merkitys.

Sähkömagnetismi

Sähkömagnetismi kuvaa varautuneiden hiukkasten vuorovaikutuksia. Se pohjaa James Clerk Maxwellin yhtälöille, jotka kuvaavat varautuneiden hiukkasten ja niiden aikaansaamien kenttien välisiä vuorovaikutuksia. Sähkömagnetismi liittää magneettiset ja sähköiset ilmiöt yhteen. Sähkömagnetismi on varhaisimpia esimerkkejä fysikaalisesta yhtenäisteoriasta. Sähkömagnetismilla on historiallinen merkitys suhteellisuusteorian synnyn kannalta. Sähkö ja magnetismi sekä niiden useat sovellutukset ovat osa nyky-yhteiskunnan perustarpeista.
Sähkön ja magnetismin kytkeytymistä hyödynnetään muun muassa sähkön tuotannossa. Sähkön käyttö energialähteenä perustuu muutamiin perussovellutuksiin, jotka mahdollistavat sähkön tuottamisen mekaanisesta liikkeestä generaattorilla ja muuttamisen mekaaniseksi liikkeeksi sähkömoottorilla. Yksinkertaisin magnetismin sovellutus on kuitenkin kompassi, jonka toiminta perustuu kestomagneetin suuntautumiseen Maan magneettikentässä. Magneetteja hyödynnetään sähkön tuotannon lisäksi myös useissa tiedontallennusvälineissä kuten kiintolevyissä. Toisaalta hyvin kookkaita ja voimakkaita magneetteja tarvitaan esimerkiksi hiukkasfysiikassa hiukkaskiihdyttimissä ja lääketieteessä magneettikuvauksissa. Voimakkaita magneetteja tarvitaan myös fuusioreaktoreissa plasman ohjailuun. Yksi fuusioreaktoreiden suurimmista haasteista onkin onnistua luomaan oikeanlainen magneettikenttä reaktorin sisälle.

Termodynamiikka

Termodynamiikka eli lämpöoppi tarkastelee lämpöenergiaan ja lämpötilaan liittyviä luonnonilmiöitä sekä mekaanisen energian suhdetta näihin. Aineen ominaisuuksia, erityisesti nesteiden ja kaasujen, kuvataan makroskooppisilla tilanmuuttujilla. Näitä niin sanottuja tilasuureita ovat lämpötila, paine, tilavuus ja sisäenergia. Tilasuureet määritellään riippumattomiksi aineen rakenteesta, joten termodynamiikka on hyvin yleispätevä fysiikan haara. Termodynamiikka tutkii erityisesti lämpöä, energiaa, lämpötilaa ja työtä. Lämpöopin hallitseminen on tärkeässä roolissa yhteiskunnassa. Eri energiantuotantotavat pohjautuvat läheisesti termodynamiikkaan. Lämmön siirtyminen on tärkeä osa termodynamiikkaa. Monet laitteet perustuvat lämmönsiirtymiseen. Lämmönsiirtymistä käytetään hyväksi muun muassa ydinvoimaloiden lauhduttimissa ja kaukolämpövoimaloissa. Yhdessä ydinfysiikan ja sähkömagnetismin kanssa alat luovat maapallon energiatalouden selkärangan.
Termodynamiikka on hyödyllinen apuväline myös muissa tieteissä. Termodynamiikan avulla voidaan selventää maantieteessä Maan litosfäärilaattojen liikkeet ja vastaavasti taas meteorologiassa tuulen synty. Sairaaloissa hyödynnetään eri instrumenttien desinfioinnissa paineen ja lämpötilan suhdetta. Suurentamalla painetta saadaan veden kiehumispistettä nostettua ja näin saadaan mahdolliset taudin aiheuttajat tuhottua. Eri tieteen alojen lisäksi lämpöoppi on hyödyllinen apuväline arkipäiväisten ilmiöiden selittämisessä.
Lämpöopin tärkeimpiin teorioihin kuuluu niin sanottu kineettinen kaasuteoria. Teoria perustuu matemaattiseen malliin kaasusta, ideaalikaasuun. Ideaalikaasun avulla voidaan havainnollistaa kaasujen käyttäytymistä tilavuuden, lämpötilan ja paineen muutoksissa. Toinen termodynamiikan ilmiöitä selittävä fysiikan ala on statistinen mekaniikka.
Yhdeksi merkittäväksi tutkimuskohteeksi on noussut myös hyvin alhaisten lämpötilojen tutkiminen. Niillä on oma merkityksensä esimerkiksi suprajohteiden tutkimuksessa. Espoossa sijaitsevan Teknillisen korkeakoulun Kylmälaboratoriossa tehtiin vuonna 2000 kylmyysennätys, kun lämpötila saatiin pudotettua vain 0,000 000 000 1 kelvinasteen (100 pK) päähän absoluuttisesta nollapisteestä.

Optiikka

Optiikka eli valo-oppi tutkii valoa ja valon käyttäytymistä väliaineissa sekä rajapinnoissa. Optiikka ja sähkömagnetismi ovat läheisessä suhteessa toisiinsa nähden koska näkyvä valo on osa sähkömagneettisen säteilyn spektriä. Valo-opin perusperiaatteisiin kuuluu valon äärellinen nopeus, joka on tyhjiössä vakio valonnopeus. Optiikkaan kuuluu myös muiden aalto-opillisten ilmiöiden tutkiminen. Optiikka tutkii muun muassa valon taittumista, taipumista, heijastumista ja polarisaatiota. Erikoisosa-alueet tutkivat myös muita sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksia. Yksi suosittu tutkimuskohde on röntgensäteily.
Perinteisesti valon taittumista hyödynnetään linsseissä, joihin perustuu muun muassa mikroskooppien, silmälasien, kaukoputkien toiminta. Uudemmista sovellutuksista optiset kuidut ovat esimerkki valon kokonaisheijastumisen hyötykäytöstä. Optiset kuidut ovat uusimpia tärkeimmistä optiikan sovellutuksista; valokaapeleita käytetään hyvin paljon tiedonsiirrossa. Optiikan tutkimus on mahdollistanut entistä tarkemman solubiologian tutkimuksen ja lääketieteen harjoittamisen.

Akustiikka

Akustiikka eli äänioppi on äänen etenemiseen, tuottamiseen ja havaitsemiseen keskittynyt fysiikan ala.
Ääni ja valo voidaan molemmat kuvata aaltoliikkeenä. Kuten valo, ääni voi heijastua ja taittua rajapinnoista. Toisin kuin valo, ääni tarvitsee kuitenkin edetäkseen väliaineen, sillä se on atomien ja molekyylien mekaanista liikettä.
Akustiikan oppeja käytetään tilojen äänimaailman suunnittelussa. Suurten teatteri- ja oopperanäyttämöiden suunnittelussa akustiikalla on suuri merkitys jotta näytöksen kaikki katselijat kuulisivat äänen hyvin riippumatta istumapaikasta. Suurten tilojen ongelmana on yleensä myös kaiku eli äänen heijastuminen. Kaikua voidaan vähentää erilaisten materiaalien avulla.
Akustiikalla on merkitys myös kuulovaurioiden ehkäisemisessä sekä melutason mittaamisessa. Akustiikan mukaan melu on ääntä, joka on haitallista, häiritsevää tai vahingollista. Akustiikka sovelletaan myös lääketieteessä sekä rakennusvirheiden tutkimiseen. Etenkin lääketieteessä ääntä pyritään käyttämään mahdollisimman paljon, ja ionisoivan säteilyn käyttöä on pystytty vähentämään ultraäänen avulla. Ultraääntä hyödynnetään esimerkiksi sikiötutkimuksissa, nivelvaurioiden hoidossa, hammaskiven poistossa ja instrumenttien puhdistuksessa.

Suhteellisuusteoria

Suppea ja yleinen suhteellisuusteoria kuvaavat toistensa suhteen suurella nopeudella liikkuvien koordinaatistojen (havainnoitsijoiden) välisten havaintojen suhdetta, esimerkiksi samanaikaisuuden käsitettä. Yleinen suhteellisuusteoria myös selittää painovoiman avaruuden geometriseksi ominaisuudeksi. Suhteellisuusteoria poikkeaa klassisesta mekaniikasta hyvin paljon. Suhteellisuusteorioiden mukaan aika sekä avaruus ovat suhteellisia ja riippuvat nopeuksista. Toisin kuin klassisessa mekaniikassa, suhteellisuusteorioiden mukaan mikään koordinaatisto ei ole erityisasemassa toisiin nähden.
Suhteellisuusteoria syntyi sähkömagnetismin pohjalta. James Maxwellin töiden pohjalta huomattiin ristiriita klassisen suhteellisuusperiaatteen ja Maxwellin yhtälöiden välillä. Newtonin liikeyhtälöt noudattavat Galilei-invarianssia. Galilei-invarianssissa tasaisessa liikkeessä olevan kappaleen ja levossa olevan kappaleen aika käy samaa aikaa. Hendrik Lorentz korjasi Galilei-invarianssia siten, että aika käy eri tavalla liikkeessä olevan ja levossa olevan kappaleen välillä. Tämä tunnetaan Lorentz-muunnoksena. Suhteellisuusteoria nojautuu juuri Lorentz-muunnokseen.
Erikoisen suhteellisuusteorian mukaan liikkeessä olevan kappaleen aika käy hitaammin kuin levossa olevan. Tämä tunnetaan aikadilaationa. Levossa olevan ja liikkeessä olevan kappaleen välinen aikaero on laskettavissa Lorentz-muunnosta apuna käyttäen. Vastaavanlainen ilmiö on havaittavissa pituuden suhteen. Pituus pienenee suurissa nopeuksissa. Pituus pienenee vain siinä suunnassa johon liikekin suuntautuu. Pituuden pieneneminen tunnetaan pituuskontraktiona. Nämä erot ovat lähes olemattomia normaaleissa nopeuksissa, joten normaalissa elämässä ilmiöitä ei voi havaita.
Siinä missä erikoinen suhteellisuusteoria on ristiriidassa Newtonin liikelakien kanssa on yleinen suhteellisuusteoria ristiriidassa kvanttimekaniikan kanssa.

Kvanttimekaniikka

Kvanttimekaniikka laajentaa klassisen fysiikan kuvausta hiukkasten ja kenttien välisestä vuorovaikutuksesta eli alueelle, jossa klassinen mekaniikka ei enää päde. Tärkeitä ominaisuuksia kvanttimekaniikassa 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.
Kvanttimekaniikka syntyi Max Bornin ja hänen työryhmänsä tutkimustuloksena, kun he yrittivät löytää syytä elektronin epäjohdonmukaiselle käyttäytymiselle. Kvanttimekaniikalle on tyypillistä indeterminismi eli tarkkojen ennustusten mahdottomuus; fysikaalisten suureiden tarkkojen arvojen sijasta täytyy puhua niiden todennäköisyysjakaumasta. Koko kvanttimekaniikkaa kuvaa erityisen hyvin Heisenbergin epätarkkuusperiaate, jonka mukaan kahta komplementaarista ominaisuutta (kuten paikka ja liikemäärä) ei voida yhtä aikaa mitata äärettömän tarkasti – toisen tarkka tuntemus väistämättä johtaa toisen epämääräisyyteen.
Atomin todellisen rakenteen kuvauksen pohjana käytetään kvanttimekaniikkaa. Kvanttimekaanisen atomimallin, jossa elektroneja käsitellään aaltoina eikä hiukkasina, avulla kuvataan muun muassa elektronien järjestäytyminen atomin orbitaaleille. Kvanttimekaniikka ennustaa myös niin sanotun antimaterian olemassaolon. Tämä on suora seuraus Diracin yhtälöstä. Tämä on kokeellisesti todistettu oikeaksi päätelmäksi. Kvanttimekaniikka on onnistunut selittämään kaikki muut luonnon perusvuorovaikutukset paitsi gravitaation.
Kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria voivat kuulostaa järjen vastaisilta. Kvanttimekaniikka ennustaa monia asioita, joita voidaan pitää täysin järjettöminä. Esimerkiksi kvanttisuperpositio on tällainen. Kun on kysymys kappaleista, joiden energiat ovat niin suuria, että niiden rinnalla Planckin vakio voidaan pyöristää nollaksi, kvanttimekaniikka johtaa kuitenkin samoihin tuloksiin kuin klassinen fysiikka. Samaan tapaan suhteellisuusteoria johtaa klassisen fysiikan kanssa yhtäpitäviin tuloksiin silloin, kun kaikki nopeudet ovat paljon valonnopeutta pienempiä.

Yleistä

Fysiikka on 'kokeellinen teorioita todellisuudesta luova tiede'. Fysiikan teorioiden tulee olla kokeellisesti testattavissa eli niiden tulee antaa kokeellisesti testattavia ennusteita. Fysiikka voidaan jakaa kahteen osaan, teoreettiseen fysiikkaan ja kokeelliseen fysiikkaan. Teoreettisessa fysiikassa muodostetaan ja tutkitaan matematiikan ja intuition avulla teorioita. Kokeellisessa fysiikassa suoritetaan kokeita, joilla testataan teorioiden antamien ennusteiden paikkansapitävyyttä. Kokeilla teoria saatetaan falsifoida eli todeta vääräksi tai puutteelliseksi mutta ei koskaan todistaa oikeaksi, vaan ainoastaan kokeen kohteena olleessa tapauksessa selityskykyiseksi. Fysikaalinen tieto on jatkuvasti keskeneräistä. Aiempaa tarkemman havaintovälineen käyttöönotto voi tuoda uusia havaintoja, joita vanha teoria ei selitä tai uusi teoreettinen keksintö tuo uuden näkökulman asiaan.
Fysiikka tieteenä pyrkii mahdollisimman suureen rakenteellisuuteen. Rakenteellisuus merkitsee pyrkimystä irrallisista laeista kiinteän yhtenäisen kokonaiskuvan muodostamiseen, pyrkimystä hierarkkiseen tietorakenteeseen, jossa yksittäiset relaatiot ovat jäsentyneet hallittavaksi, ymmärrettäväksi ja ristiriidattomaksi kokonaisuudeksi, teoriaksi. Perimmäisenä pyrkimyksenä fysiikassa on luoda niin sanottu kaiken teoria, joka selittäisi kaikki luonnon vuorovaikutukset.

Matematiikka ja tekniikka

Fysiikka on 'matemaattinen tiede'. Teoreettinen fysiikka ja yleensäkin teorioiden muodostaminen on kulkenut rinta rinnan matemaattisen kehityksen kanssa.
Kokeellisen fysiikan kehitys on tiukasti sidoksissa tekniseen kehitykseen. Toisaalta fysiikka on keskeinen osa nykyistä teknistä kehitystä. Varhaisimpia esimerkkejä teknisen laitteen käyttöönotosta ja kokeellisen fysiikan kehitysaskeleesta on Galileo Galilein kaukoputkihavainnot ja ylipäätään tähtitieteen kehitys. Mittalaitteet mahdollistavat luonnon havainnoinnin ihmiselle muuten tavoittamattomissa olevilla tasoilla, ne laajentavat ja tarkentavat 'näkökenttää'.
Uudempi niin kutsuttu tietotekniikka mahdollistaa laskennon ja mallintamisen laajentumisen ihmisen omia kykyjä suuremmaksi, ne laajentavat ihmisen 'ajatuskykyä'. Näin teknisestä kehityksestä tulee osa myös fysiikan teoreettista puolta.

Suomessa

Suomessa fysiikan opiskelu alkaa pakollisena aineena peruskoulussa. Peruskoulun fysiikassa pyritään ennemmin kokeellisuuteen kuin teoreettiseen ajatteluun.Lukiossa fysiikasta on yksi pakollinen kurssi sekä seitsemän valtakunnallista syventävää kurssia. Valtakunnallisten kurssien lisäksi lukiot tarjoavat omia syventäviä kursseja. Yliopistojen opiskelijavalinnassa painotetaan fysiikan lisäksi matematiikan osaamista. Riittävä menestys ja opintojen laajuus lukio-opinnoissa ja ylioppilaskirjoituksissa mahdollistaa usein yliopistoon pääsemisen ilman pääsykoetta, ns. paperivalinnan, jolla valitaan noin 80 % opiskelijoista. Loput valitaan valintakokeen tai/ja opintomenestyksen perusteella. Tiedekunnat päättävät itse opiskelijavalinnan yksityiskohdat.Pintapuolisesti fysiikkaa, nk. insinöörifysiikkaa, opetetaan myös kaikissa teknisen alan oppilaitoksissa.
Fysiikkaa opetetaan omana oppiaineenaan yliopistoissa yleensä matemaattis-luonnontieteellisissä tiedekunnissa. Opintojen tutkintonimike on tasosta ja tiedekunnasta riippuen luonnontieteiden kandidaatti, filosofian maisteri, filosofian lisensiaatti, filosofian tohtori, tekniikan kandidaatti, diplomi-insinööri, tekniikan lisensiaatti tai tekniikan tohtori. Riittävän tutkimustyön jälkeen henkilöä voidaan kutsua fyysikoksi. Puhdasta fysiikkaa opetetaan myös teknillisissä korkeakouluissa. Fysiikan opetus tapahtuu tavallisesti suomeksi, mutta esimerkiksi oppikirjat ovat usein englanninkielisiä heti peruskursseista lähtien. Perustutkintoon kuuluvat LuK-tutkimus ja pro gradu -työ tehdään yleensä suomeksi. Myös lisensiaatin työ saatetaan tehdä suomeksi, mutta väitöskirja tehdään lähes aina englanniksi.
Olennaisena osana fysiikan opiskeluun kuuluu matematiikan opiskelu, sillä ”matematiikkaa hallitsemattomasta ihmisestä ei tule fyysikkoa”. Tavallisesti fysiikkaa yliopistossa pääaineena opiskelevat lukevat matematiikkaa sivuaineena ja yleensä se kuuluukin pakollisena opintoihin. Muita tyypillisiä sivuaineita ovat kemia, biologia sekä tietotekniikka. Fysiikkaa voidaan opiskella myös poikkitieteellisesti. Esimerkiksi Jyväskylän yliopistossa nanotieteen koulutusohjelmassa opiskellaan fysiikkaa, kemiaa ja biologiaa.
Suomen liittyminen Euroopan unioniin on helpottanut opiskelijoiden siirtymistä opiskelemaan ulkomaille tai antanut mahdollisuuden ulkomaalaisten opiskelijoiden tulla Suomeen opiskelemaan.
Esimerkiksi Erasmus-ohjelma antaa kaikkien alojen tutkinto-opiskelijoille mahdollisuuden 3–12 kuukauden tuettuihin korkea-asteen opintoihin EU:n jäsenmaissa, ETA-maissa (Islanti, Norja ja Liechtenstein), ja Turkissa. Suomi on yhteistyössä monien järjestöjen kanssa, esimerkiksi CERN:in ja ESA:n kanssa.