Fysiikan historia

Fysiikan historia ulottuu pitkälle menneisyyteen. Fysiikka lienee vanhimpia tieteitä.
Fysiikan harjoittamisen alun tarkkaa paikkaa tai aikaa ei ole pystytty selvittämään. Fysiikkaa ei harjoitettu omana tieteenään juuri lainkaan ennen antiikin Kreikkaa. Tuolloinkin fysiikka oli vahvasti sekoittunut tähtitieteeseen ja filosofiaan. Kreikkalaisessa fysiikassa ei juuri käytetty matematiikkaa fysiikan tutkimuksessa, mutta tunnetuin poikkeus tästä oli Arkhimedes.

Fysiikan kehitys on muuttanut perustavanlaatuisesti ihmisten käsitystä maailmankaikkeudesta. Se on myös tekniikan avulla muokannut suuresti yhteiskuntaa. 1600-luvulla alkanut tieteellinen vallankumous toimii vedenjakajana antiikin ajattelutavan ja klassisen fysiikan välillä. Moderni fysiikka sai alkunsa 1900-luvulla. Luonnontieteet eivät näytä koskaan tulevan valmiiksi, sillä uusia kysymyksiä nousee jatkuvasti alkaen maailmankaikkeuden iästä ja tyhjiön luonteesta aina alkeishiukkasten pohjimmaisiin ominaisuuksiin saakka. Ratkaisemattomien ongelmien joukko on suuri.

Fysiikka vakinaisti asemansa yliopistotasoisena tieteenä vasta 1800- ja 1900-luvun vaihteessa. Maailman suurimmat fysiikkaa tutkineet maat olivat 1900-luvun alussa Saksa, Iso-Britannia, Ranska ja Yhdysvallat. Lähes puolet maailman fyysikoista oli kotoisin näistä maista. Maailmanlaajuisesti fyysikkoja oli 1900-luvun alussa 1200–1500, minkä jälkeen fyysikkojen määrä on kasvanut erittäin nopeasti.

Fysiikka jaetaan hyvin usein historiansa mukaan kahtia: moderniin ja klassiseen fysiikkaan. Modernin fysiikan katsotaan alkaneen 1900-luvun alussa, jolloin huomattiin energian kvantittuminen. Tämä löydös johti modernin fysiikan merkittävään päähaaraan, kvanttimekaniikkaan. Toisena päähaarana pidetään Albert Einsteinin kehittämää suhteellisuusteoriaa.

Esihistoria 

Varhaisimmat fysiikkaan viittaavat merkit ovat peräisin neanderthalin ja Cro-Magnonin ihmisen ajalta noin 30 000 vuotta sitten. Tämä tieto perustuu luunpalaseen, johon on erään tulkinnan mukaan kaiverrettu merkintöjä Kuun kierron vaiheista. Luu löydettiin Abri Blanchard'sta Ranskasta. Luonnonvoimien tuntemuksen arvellaan kehittyneen käytännön elämän ongelmien vaatimuksesta, taivaan- ja luontokappaleiden sekä luonnon ilmiöiden havainnoinnista sekä peloista ja turvattomuuden tunteesta. Syntyi uskonnollisia kultteja ja riittejä, jotka kannustivat tavoittelemaan korkeampaa tietoa. Ensin kehittyivät ennustaminen, mantiikka ja magia. Siinä missä mantiikka tutkii yliluonnollisen jumalan vaikutusta maalliseen elämään, magia pyrkii itse vaikuttamaan luontoon.

Mantiikan ja magian pohjalta alkoi kehittyä uusia luontoa tutkivia aloja, kuten tekniikka, lääkintätaito, ajanlasku, tähtitiede ja matematiikka. Esihistoriallisella ajalla tiede, taide ja uskonto olivat hyvin vahvasti kytköksissä toisiinsa.

Varhainen fysiikka

Idän korkeakulttuurit 

Esihistoriallisena aikana jokien suistoihin ja laaksoihin syntyneissä kaupungeissa alkoi kehittyä korkeakulttuureita. Korkeakulttuurissa kaikkien ei tarvinnut osallistua ruoan hankintaan, jolloin jotkut saattoivat omistautua ”tieteen” tutkimiseen. Varhaisimmat korkeakulttuurit sijaitsivat Kiinassa (Keltainenjoki), Intiassa (Indusjoki), Mesopotamiassa (Eufrat ja Tigris) sekä Egyptissä (Niili). Ensimmäiset vahvat viitteet fysiikan tutkimisesta löytyvät Aasian korkeakulttuureista; näissä kehittyi kirjoitustaito ja tulkituista kirjoituksista on voitu hahmotella tieteen historiaa.

Etelä-Amerikan atsteekkien, inkojen ja mayojen kulttuurit kehittyivät muista eristyksessä. Näiden hyvin kehittyneiden kulttuurien tiede perustui lähinnä tähtitieteeseen ja sen avulla kehitettyyn aikajärjestelmään. Etelä-Amerikan kulttuurit säilyivät eristäytyneinä aina löytöretkiin asti. Ne tuhoutuivat, kun eurooppalaiset toivat alueelle tauteja, joille alkuperäiskansat eivät olleet vastustuskykyisiä.

Kiina 

Kiinalaisessa kulttuurissa tiede kehittyi varsin nopeasti, vaikka se sijaitsi hyvin etäällä muista kulttuureista. Muista kulttuureista eristäytyminen johti kuitenkin tieteen taantumiseen. Kiinalaiset olivat tutkineet Auringon kiertoa ja Kuun vaiheita 4000 vuotta ennen ajanlaskun alkua. He kykenivät muun muassa selittämään vuoroveden synnyn ja keksimään aurinkokellon. Ensimmäiset vuorovesihavainnot saatiin Jangtse-joella, jossa kiinalaiset huomasivat säännöllisen noin kolmen metrin nousun ja ymmärsivät yhteyden Kuun kierron ja vuorovesi-ilmiön välillä. Kiinalaisten kehittämä vuoroveden syntyteoria ei kuitenkaan vastaa millään tavoin nykyaikaista. Kiinalaiset vertasivat vettä ihmisen vereen ja tästä he päättelivät, että nousu- ja laskuvedet vastaavat ihmisen pulssia. Havainnon selittäminen kuvastaa sen ajan fysikaalista todellisuuskäsitystä. Kiinalaisten fysiikan osaamisesta kertoo myös se, että kiinalainen filosofi Mozi keksi 2000 vuotta ennen Isaac Newtonia lain, joka tunnetaan nykyään Newtonin ensimmäisenä lakina.

Kiinalaiset olivat hyvin eteviä matematiikassa, tosin nolla tuli heidän lukujärjestelmäänsä vasta 1200-luvulla. Kiinalaiset kehittivät myös aurinkokellon, mutta kuten monen muun kiinalaisen keksinnön tapaan, se ei juuri levinnyt Kiinan ulkopuolelle.

Intia 

Intian korkeakulttuuri on hieman nuorempi kuin kiinalainen, mutta Intiassa fysiikka ensimmäistä kertaa erottui muista tieteenaloista. Intian korkeakulttuurin suurimmat keskukset olivat Mojenjo-daro ja Harappa. Tältä ajalta on löydetty kymmenjärjestelmään pohjautuva mitta-asteikko.

Intialainen filosofi esitti myös ajatuksen atomista aineen rakennusosana 3000 eaa. Tämä on selvästi aiemmin kuin kreikkalainen Empedokles, joka tuli samankaltaiseen lopputulokseen. Intialaisten mukaan maailma koostui neljästä eri atomityypistä: ilma-, tuli-, vesi- ja maa-atomista. Lisäksi heidän mukaansa maailmassa oli jonkinlaista eetteriä. Buddhalainen filosofi korvasi ajatuksen eetteristä ilolla, elämällä ja surulla.

Mesopotamia 

Nykyisen Irakin alueella eli Eufrat- ja Tigris-jokien varrella sijaitsi kolme suurta korkeakulttuuria: Assyria, Babylonia ja Sumer.

Sumerit kehittivät nuolenpääkirjoituksen, jossa oli yli 500 merkkiä. Nuolenpääkirjoitus oli hyödyllinen kaupanteossa ja kirjanpidossa. Kirjoitustapa omaksuttiin kuitenkin pian muillakin alueilla, mikä hankaloitti kirjoituksen tulkintaa, sillä kirjoitustapoja kehittyi monta erilaista. Sumerilaiset nimesivät tähtiä, ja näistä on kaksi edelleen käytössä: Girtab ja Nunki.

Babylonia sijaitsi nykyisten Etelä-Irakin ja Kuwaitin alueilla. Babylonialaiset käyttivät seksagesimaalijärjestelmää, jonka kantalukuna on 60. Babylonialaisten käyttämä järjestelmä on periytynyt nykyiseen ajanmittaukseen, jossa yksi tunti on 60 minuuttia ja yksi minuutti 60 sekuntia. Babylonialaiset jakoivat päivän kuuteen osaan, egyptiläiset kehittivät tätä edelleen ja jakoivat päivän kahteentoista osaan. Pituus ja paino standardoitiin Babyloniassa vuoden 2500 eaa. tienoilla kuninkaallisella ediktillä. Tämän tarkoitus oli vähentää kaupankäynnin epävarmuutta. Pienin pituusyksikkö oli yksi sormi, joka on noin 1,65 cm, ja yksi kyynärä oli 30 sormea.

Babylonialaiselle tieteelle oli ominaista ilmiöiden välisten yhteyksien selvittäminen ja saatujen tulosten taulukointi. Babylonialaiset havaitsivat muun muassa Maan pallomuodon. Babylonian ja muiden korkeakulttuurien tieteellinen kehitys oli jähmeää, sillä kaikki tietämys oli papiston käsissä. Papiston mielestä ei ollut tarvetta tutkia rakennetta syvällisesti, sillä se kaikki on jumalan antamaa ja määräämää eikä sen toimintaa sovi tutkia. Tärkeintä oli vain toistuvien ilmiöiden ennustaminen. Babylonialaisten lisäksi kiinalaisten ja Amerikan korkeakulttuurien kehitys pysähtyi. Ominaista babylonialaisille ja muille kulttuureille oli se, että tiedettä kehitettiin vain siihen asti kuin se oli tarpeen.

Babylonialaisten perintö on erityisen tärkeä Euroopalle, sillä Babylonian tuhouduttua sen tietoja siirtyi kreikkalaisille. Tieteen kehittymisen kannalta kuitenkin vasta kreikkalaiset tekivät ratkaisevan siirron: he alkoivat arvostaa tutkimusta sen itsensä vuoksi eikä sen tarvinnut palvella mitään muuta.

Eurooppa nousee

Antiikin Kreikka 

Vuoristoisena maana Kreikka oli valtiollisesti Babyloniaa ja Egyptiä paljon hajanaisempi. Merenkulku oli kreikkalaisille tärkeää. Riippumattomuus muista valtioista ja vieraisiin kulttuureihin tutustuminen mahdollisti kreikkalaisten itsenäisen ajattelun kehitystä. Vaikka fysiikan varsinaisen synnyn katsotaan alkaneen antiikin Kreikasta, ei fysiikka ollut itsenäinen tieteenala vielä tuolloinkaan. Fysiikka sekoittui metafyysiseen ajatteluun ja filosofiaan. Kokeellinen fysiikka ja matematiikan käyttö fysiikassa oli pikemminkin poikkeus kuin sääntö. Matematiikkaa käytettiin lähinnä kirjanpidossa.

Ensimmäisenä kreikkalaisena – ja samalla koko tunnetun historian – tiedemiehenä pidetään Thalesta. Thaleen uskotaan ensimmäisenä tutkineen luontoa sen tutkimisen takia eikä muun ulkopuolisen intressin, kuten maanviljelyn tai rakennusten rakentamisen, vuoksi. Thales ennusti ensimmäisenä auringonpimennyksen. Ennustuksen todenperäisyys on kuitenkin kyseenalaistettu. Thaleella oli oma teoria maanjäristysten synnystä: Maa, jonka hän oletti olevan litteä, kellui suuressa meressä. Tässä suuressa meressä tapahtuvat satunnaiset häiriöt saavat maan tärisemään ja halkeamaan. Thales pyrki siis perustelemaan havaitut ilmiöt kuten maanjäristykset luonnon itsensä aiheuttamina eikä esimerkiksi Poseidonin vihan seurauksena, kuten useimmat muut kreikkalaiset ajattelivat.

Thaleen oppilaan Anaksimandroksen tiedetään kehitelleen ensimmäisen aurinkokellon Kreikassa. Hänen uskotaan myös piirtäneen ensimmäisen maailmankartan.

Rooman ajan merkittävin fyysikko oli Heron Aleksandrialainen, joka oli myös matemaatikko ja insinööri. Katoptriikka-teoksessaan hän osoitti geometrisesti, että valon heijastumislaki seuraa Aristoteleen periaatteesta jonka mukaan luonto valitsee aina lyhyimmän tien. Hän myös esitti kaasujen koostuvan hyvin pienistä hiukkasista, jotka täyttivät tyhjiön vain osittain.

Länsi-Roomassa fysiikan kehitystä hidasti vaikutusvaltaa kerännyt kristinusko, eikä Bysantissakaan tehty merkittäviä tieteellisiä läpimurtoja. Bysantti oli kuitenkin antiikin ja arabien tieteellisen ja taiteellisen ajattelun välitysalusta. Bysantin tieteen kehityksestä kertoo arabialainen oppinut al-Dyahiz, jonka mukaan bysanttilaisilla ei ollut minkäänlaista kirjallisuutta eikä tiedettä. Sen sijaan he olivat varsin eteviä kirkon rakentajia, veistäjiä, käsityöläisiä ja taiteilijoita.

Fysiikan ja koko länsimaisen tieteen kehityksen kannalta tärkeä Aleksandrian kirjasto tuhoutui tulipaloissa. Täysin varmaa ei ole, koska kirjasto tuhoutui. Kirjastossa oli historian saatossa tapahtunut monia tulipaloja, jotka tuhosivat tärkeää kreikkalaista ja idässä tehtyä tiedettä. Arvellaan, että tuhon syypäitä ovat islaminuskoiset arabit, jotka eivät sietäneet ihmisten ja eläinten kuvia tekstien seassa. On myös ehdotettu, että kirjasto tuhoutui Julius Caesarin hyökkäyksessä.

Kristinusko alkoi levitä nopeasti varhaiskeskiajalla ja se vähensi tieteellisen ajattelun tärkeyttä. Tällöin arabien tekemä käännöstyö oli erityisen tärkeätä kreikkalaisten tietämyksen säilymisen kannalta. Myöhemmin arabiankielisistä teksteistä käännettiin antiikin tietoja takaisin latinaksi.

Fysiikka keskiajan Arabiassa 

Tieteiden kehityksen kannalta arabimaat olivat keskiaikaista Eurooppaa hedelmällisempiä. Antiikin filosofinen perinne siirtyi Syyrian kautta arabeille, joiden kulttuuri puhkesi kukkaan 800-luvulla Bagdadissa. Kalifi al-Ma'mun perusti 800-luvulla Bagdadiin korkeakoulun, jota kutsuttiin Viisauden taloksi. Arabit keskittyivät lähinnä tähtitieteen ja matematiikan kehittämiseen, mutta myös fysiikassa edistyttiin. Monet arabimaiden tiedemiehistä eivät olleet alun perin arabialaisia vaan kotoisin arabien valloittamilta alueilta kuten Persiasta. Itse asiassa koko arabialaisen tieteen nousu oli arabien valloittamien alueiden ansiota.

Antiikin Kreikassa fysiikan tutkimus perustui lähinnä ajatteluun eikä kokeiden tekemiseen. Arabiassa tilanne oli päinvastainen: kokeet olivat paljon tärkeämmässä asemassa kuin ajatuksilla leikkiminen. Arabit olivat ensimmäisiä, jotka käyttivät tutkimuksissaan modernia tieteellistä menetelmää. Merkittävänä arabialaisena ja kokeellisena tiedemiehenä pidetään 1000-luvulla elänyttä Ibn al-Haithamia, joka teki merkittäviä löytöjä optiikassa. Muita merkittäviä optiikan alan tiedemiehiä oli muun muassa al-Kindi. Al-Haitham oli ensimmäinen, joka tutki valon dispersiota ja muita valoon liittyviä asioita kuten varjoja ja sateenkaaria. Al-Haitham yritti selittää myös niin sanottua kuuilluusiota, jossa horisonttia lähellä oleva Kuu näyttää suuremmalta kuin korkeammalla taivaalla oleva Kuu. Näiden töiden perusteella häntä pidetään optiikan isänä. Al-Haitham perusteli oikein myös sen, miksi ihmiset näkevät asioita. Hänen mukaansa Auringon valo heijastuu kohteista ja heijastunut valo tulee ihmisen silmään, ja näin näemme kohteen. Yleinen uskomus oli päinvastainen: silmän uskottiin lähettävän säteitä, jotka löysivät ja paljastivat kohteen.

Persialaista tiedemiestä Muhammad al-Fazaria pidetään astrolabin ensimmäisenä rakentajana. Tieto astrolabista, tärkeästä suunnistusapuneuvosta, levisi islamilaiseen maailmaan kreikkalaisten käännösten avulla. Myös tärkeät matemaattiset apuneuvot, algebran ja algoritmin, keksi persialainen tiedemies, Al-Khwarizmi.

Arabia oli erittäin laaja alue, suurimmillaan lännessä se ulottui koko nykyisen Espanjan alueelle. Lisääntynyt vuorovaikutus eurooppalaisten kanssa edesauttoi tärkeiden arabialaisten kirjoitusten kääntämistä. Näin siirtyivät uudelleen alun perin kreikkalaiset kirjoitukset takaisin Eurooppaan. Kirjapaino keksittiin Euroopassa 1460-luvulla ja se mahdollisti tekstien nopean ja entistä suuremman leviämisen. Katolinen kirkko ei pystynyt enää tehokkaasti estämään tieteellisten kirjoitusten sekä kirkon opetuksen kanssa ristiriidassa olleiden tekstien leviämistä yrityksistään huolimatta. Tiede oli nousemassa parempaan asemaan Euroopassa.

Uusi aika 

Uuden ajan lasketaan yleensä alkaneen 1400- ja 1500-lukujen taitteessa. Uuden ajan suuret murrokset kuten uskonpuhdistus, löytöretket ja kirjapaino mahdollistivat tieteen nousun katolisen kirkon vallan kustannuksella. Löytöretkillä löydetyt uudet alueet olivat ristiriidassa kirkon opetusten kanssa. Fernão de Magalhãesin laivueen retkikunta todisti lopullisesti Maan pyöreyden purjehtimalla maapallon ympäri. Myös 1500-luvun alussa alkanut uskonpuhdistus heikensi kirkon asemaa erityisesti Pohjois- ja Keski-Euroopassa. Uskonpuhdistus levitti kirjoitus- ja lukutaitoa muille yhteiskuntaluokille kuin ylimystölle. Maalliset hallitsijat saivat enemmän valtaa, mikä mahdollisti entistä paremmin tieteen harjoittamisen. Keskiaikainen maailmankuva murtui lopullisesti 1600-luvun puoliväliin mennessä.

Tieteellinen vallankumous 

1500-luvun loppupuolella alkanut tieteellinen vallankumous oli tulosta renessanssin ajatuksista. Renessanssi edesauttoi löytämään uudelleen antiikin Kreikan, Intian, Kiinan ja Arabian kulttuurin tutkimukset. Arabialaiset olivat kehittäneet 700-luvulta 1400-luvulle antiikin tieteitä edelleen, ja munkit olivat sittemmin kääntäneet teoksia (kuten Almagestin) latinaksi.

Vallankumouksen alku, tähtitiede 

Tieteellisen vallankumouksen katsotaan saaneen alkunsa Nikolaus Kopernikuksen julkaisemasta De revolutionibus orbium coelestium -teoksesta, jossa hän esitteli aurinkokunnan rakenteen ja ennen kaikkea korvasi maakeskisen maailmankuvan aurinkokeskisellä. Kopernikus oli tehnyt teosta hyvin pitkään ja esitellyt ideoitaan erillisinä teoksina jo aiemmin. Kopernikus kuoli samana vuonna kuin hänen pääteoksensa julkaistiin, mikä luultavasti pelasti Kopernikuksen katolisen kirkon tuomiolta. Hänen teostaan ei myöskään kielletty ennen kuin Galileo Galilei joutui kuultavaksi katolisen kirkon eteen. Katolisen kirkon opit olivat juurtuneet niin syvälle sen ajan tiedeyhteisöön, ettei Kopernikuksen väitteitä uskottu lainkaan. Vasta sata vuotta myöhemmin Kopernikuksen malli alkoi vakiintua. Aurinkokunnan malli kuitenkin eteni asteittain kohti aurinkokeskistä.

Tyko Brahe oli merkittävä tanskalainen tähtitieteilijä. Hän opiskeli lakia ja hänen harrastuksenaan oli tutkia tähtitaivasta, mistä myöhemmin tuli hänen ammattinsa. Tutkiessaan Saturnuksen ja Jupiterin kohtaamishetkeä vuonna 1563 hän havaitsi Kopernikuksen teoriaan perustuneissa planeettataulukoissa useiden päivien virheitä. Brahe oli uskonnollinen ja tästä hän sai syyn vastustaa Kopernikuksen teoriaa. Brahe otti tehtäväkseen määrittää Auringon radan, jota varten hänen piti määrittää ilmakehän aiheuttama taittuminen. Tämä oli ensimmäinen askel kohti tarkkaa astrometriaa. Brahe otti tehtäväkseen myös kerätä tähtiluettelon. Ainoa yleisesti tunnettu tähtiluettelo tuolloin oli Hipparkhoksen keräämä tähtiluettelo, johon kuului noin 850 tähteä. Brahen päätyö oli planeettojen tutkiminen. Hän laati hyvin laajan aineiston planeettojen liikkeistä.

Brahe hankki havaintojensa käsittelyyn apulaisen nimeltä Johannes Kepler. Keplerille jäi Brahen aineisto tämän kuoltua ja hän julkaisi toisen Brahen pääteoksen nimeltä Astronomiæ Instauratæ Progymnasmata. Teos sisältää 777 tähden luettelon sekä aurinkokuntamallin, jossa Aurinko ja Kuu kiertävät Maata, mutta muut planeetat kiertävät Aurinkoa. Mallista tuli melko suosittu, koska siinä ei ollut uskonnollisia ongelmia. Myöhemmin Kepler pystyi tarkentamaan ja todistamaan laskelmillaan Kopernikuksen teorian oikeaksi tosin tarkentaen sitä. Hänen mukaansa Aurinko pyöri akselinsa ympäri ja planeettojen liikkeet ovat ellipsin muotoisia eivätkä pyöreitä, kuten Kopernikus oli ajatellut. Kepler hylkäsi myös Kopernikuksen käsityksen maailmankaikkeudesta suljettuna järjestelmänä.

Tieteellinen menetelmä 

Filosofi Francis Bacon tunnetaan tieteellisen menetelmän luojana yhdessä René Descartesin kanssa. Bacon ei varsinaisesti ollut fyysikko, mutta hän oli tieteellisen ajattelun voimakas tukija. Baconin ihanteena oli mehiläinen, joka kokoaa materiaalia muurahaisen tavoin, muttei jätä työtään kesken vaan tekee keräämästään päätelmiä oman järkensä valossa. Tällä Bacon kuvasi luonnontieteen kehittymistä. Yksittäisestä tapauksesta luodaan lainalaisuus, jonka kuuluu kuvata ilmiötä mahdollisimman laajasti. Bacon oli ”tieteen ilosanoman” levittäjä ja hänen tunnuslauseensa oli ”tieto on valtaa”. Tiede ei ollut arvokasta vain siksi, että sen avulla päästiin selville totuudesta. ”Tieto, joka pyrkii vain mielihyvään, on kuin kurtisaani, joka on olemassa nautintoja varten, muttei tuota hedelmää eikä lisäänny.” Baconin mielestä tieteellistä tutkimusta on käytettävä ihmiskunnan hyväksi kaikin keinoin. Hän oli tietyllä tavalla aikaansa edellä, sillä vasta 1800-luvulla luonnontieteelliseen tutkimuksen tuloksia alettiin soveltaa teollisuuteen ja elinkeinoelämään.

Galilei ja tähtitiede 

Galileo Galilei on fysiikan historian merkittävimpiä yksittäisiä hahmoja ja ensimmäinen moderni luonnontutkija. Galilei poikkesi aiemmista fysiikan tutkijoista siten, että hän ei piitannut niinkään ilmiöiden selittämisestä vaan niiden kuvaamisesta. Galilei perusti tutkimuksensa ennen kaikkea empiirisiin havaintoihin, mutta olennaisena osana tutkimuksissaan hän käytti myös puhdasta matematiikkaa. Erään tarinan mukaan Galilei testasi Aristoteleen väittämää, että painavammat kappaleet putoavat nopeammin kuin kevyemmät. Tarinan mukaan Galilei kiipesi Pisan kaltevaan torniin mukanaan puolen kilon lyijypaino ja viidenkymmenen kilon tykinkuula. Galilei pudotti nämä yhtä aikaa ja havaitsi, että kappaleet putosivat maahan samaan aikaan. Kokeellisuudesta tuli Galilein jälkeen tieteelle ja fysiikalle tunnusomainen piirre. Kokeellisuutta varten kehitettiin välineitä: Anton van Leeuwenhoek kehitti mikroskoopin ja Galilei paranteli olennaisesti kaukoputkea.

Galilei ei itse keksinyt kaukoputkea vaan se keksittiin Alankomaissa. Saatuaan tietoja kaukoputkesta Galilei rakensi itselleen sellaisen, jolla hän tutki tähtitaivasta. Galilei havaitsi lukemattoman määrän aiemmin tuntemattomia kohteita ja löysi Kuun pinnalta kraattereita sekä vuoria, joiden korkeutta hän yritti arvioida. Galilei löysi myös ensimmäisenä auringonpilkut sekä Jupiterin neljä kuuta. Tutkimustulokset hän julkaisi vuonna 1610 teoksessaan Tähtien sanansaattaja. Teos oli myyntimenestys ja kateelliset Galilein virkatoverit kantelivat hänestä paaville. Paavi tuomitsi vuonna 1616 Kopernikuksen ja Galilein kerettiläisiksi (Kopernikus oli tällöin ollut kuolleena lähes sata vuotta) ja heidän kirjansa lisättiin kiellettyjen kirjojen luetteloon. Kirkko painosti Galileita käsittelemään kopernikaanista maailmankuvaa vain hypoteettisesti väittämättä, että se vastasi todellisuutta. Galilei ei palannut moniin vuosiin aiheeseen, mutta vuonna 1632 julkaistiin teos Dialogi kahdesta suuresta maailmanjärjestyksestä. Kirjan takia hänet kutsuttiin Roomaan inkvisitiotuomioistuimeen. Galilei joutui peruuttamaan oppinsa heliosentrisestä maailmankuvasta välttääkseen rovion. Hänet tuomittiin elinikäiseen kotiarestiin inkvisition valvonnan alla. Dialogi-teos määrättiin poltettavaksi ja Galilein tuomio määrättiin luettavaksi jokaisessa yliopistossa. Vasta 1980-luvulla katolinen kirkko perui Galilein tuomion.

Yliopistoissa ei haluttu uskoa Galilein tutkimustuloksia kappaleiden liikkeistä. Se oli ristiriidassa 2000 vuotta vallalla olleen Aristoteleen opin kanssa. Galileista tuli ennen kaikkea dynamiikan tutkimuksen suunnannäyttäjä. Galilein työ avasi oven Isaac Newtonin tuleville töille. Newtonin työskentely oli sikäli helpompaa, koska katolisella kirkolla ei ollut Englannissa enää valtaa.

Newtonin mekaaninen maailma 

Isaac Newton on kuuluisimpia fyysikoita. Hän kehitti mekaniikan peruslait vuonna 1687 teoksessaan Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, joka oli koko tieteellisen vallankumouksen huipentuma. Newton itse totesi, että hänen oli helppo nähdä kauas seisoessaan jättiläisen olkapäillä. Näillä sanoilla Newton tarkoitti, että hänen oli helppo kehittää kappaleiden liikettä koskevat lait hänen edeltäjiensä työn pohjalta. Newtonin oivalluksesta tekee erityisen se, että hän yhdisti Maassa tapahtuvan liikkeen ja planeettojen liikkeet: omenan putoaminen ja Kuun radalla pysyminen pohjautuvat pohjimmiltaan samaan luonnonlakiin, joka riippuu massasta ja kappaleiden välisestä etäisyydestä. Newtonin painovoimalaki selitti aurinkokunnan aurinkokeskisyyden ja planeettojen ellipsin muotoiset radat. Mullistavinta oli juuri se, että Newton ymmärsi yhdistää niin sanotun kuunylisen ja kuunalisen maailman toisiinsa muutamalla kaavalla. Maailmankaikkeudesta tuli mekaaninen sekä mitattavissa ja selitettävissä oleva. Newtonilaisesta ajattelusta tuli tieteen esikuva: luonnon lainalaisuudet tuli mitata ja kuvata matemaattisesti. Newtonin klassisen mekaniikan pohjana on käsitys absoluuttisesta ajasta ja avaruudesta.

Newtonin ajatukset pysyivät tiedeyhteisön keskeisempänä ajatuksena vuoteen 1900-luvun alkuun asti. Newtonin mekaniikkaa opetetaan edelleen kouluissa, koska se kuvaa tarpeeksi tarkasti normaalia maailmaa.

Newton vaikutti fysiikkaan laajemmin kuin pelkästään mekaniikassa. Hän tutki paljon optiikkaa ja termodynamiikkaa. Newtonin mittaukset optiikassa olivat tarkkoja ja perusteellisia. Newton julkaisi optiikkaa käsittelevät työnsä vuonna 1704 teoksessaan Opticks. Prisman aiheuttama spektri tunnettiin jo ennen Newtonia, mutta kunnia valon hajoamisen selittämisestä annetaan Newtonille, joka ymmärsi ensimmäisenä, että valkoinen valo koostuu kaikista näkyvän valon väreistä ja prismaan osuessaan valo hajoaa spektriin. Näin ollen hajonnut valo on yhdistettävissä toisella prismalla uudelleen valkoiseksi valoksi. Newtonin mielestä valo koostui hiukkasista, jotka ovat erikokoisia ja -luonteisia valon eri väreille. Newtonin optiikan tutkiminen johti myös peilikaukoputken keksimiseen. Newton havaitsi, että eri värinen valo taittui materiaaleissa eri tavalla. Havainto johti keksintöön, että eriväristen valojen fokusoituvuus eri etäisyyksille linssikaukoputkessa aiheutti kuvien suttuisuuden ja että olisi mahdotonta valmistaa sellaista linssiä, jossa kaikki valo fokusoituisi samalle tasolle. Tämän seurauksena Newton keksi oman versionsa peilikaukoputkesta, jossa ei esiinny väriaberraatiota.

Termodynamiikassa Newtonin merkittäväksi keksinnöksi on noussut muun muassa Newtonin jäähtymislain keksiminen.

Huygens ja aaltoliike 

Christiaan Huygens tunnetaan 1600-luvulla kehittämästään Huygensin periaatteesta. Huygensin mielestä aaltoliikkeessä jokainen aaltorintaman piste toimii alkeisaallon lähteenä. Huygens lienee myös ensimmäisenä pitänyt valoa aaltoliikkeenä. Huygensin käsitys oli päinvastainen kuin Newtonin, joka piti valoa hiukkasina. Britti Thomas Young valmisti koelaitteiston, joka tunnetaan Youngin kaksoisrakokokeena. Kokeellaan hän todisti valon olevan aaltoliikettä. Nykyään sekä valon tiedetään käyttäytyvän myös hiukkasten tavoin joissain tapauksissa. Tämä selittyy kvanttimekaniikan aalto-hiukkasdualismilla.

Huygensin tähtitieteen tutkimukset kohdistuivat Saturnukseen. Hän myös keksi heilurikellon ja oli Ranskan tiedeakatemian perustajajäsen.

Tyhjiö ja termodynamiikan perusta 

Blaise Pascal tutki paljon painetta ja tyhjiötä, jota jo René Descartes oli tutkinut. Hän mittasi ilmanpaineen vaihtelua veljensä avulla Puy-de-Dôme-tulivuorella. Pascal totesi Evangelista Torricellin olleen oikeassa tämän väitettyä ilmanpaineen pienenevän korkeammalle noustessa. Pascal osoitti Pascalin periaatteessaan vuonna 1654, että nesteen aiheuttama paine on aina yhtä suuri samalla syvyydellä samassa nesteessä. Pascal selitti myös juoksuttimen eli lapon toimintaperiaatteen.

Otto von Guericke rakensi muutamien epäonnistuneiden testien jälkeen vuonna 1654 ilmapumpun, jolla hän kykeni luomaan tyhjiön. Tällä kokeella hän kumosi Descartesin päätelmän siitä, että tyhjiötä ei voida saada koskaan aikaan, koska hän piti ulottuvuutta nimenomaan aineen ominaisuutena. von Guericken työ oli pohjana höyrykoneen keksimiselle.

Robert Boyle teki assistenttinsa kanssa kokeita itse rakentamallaan ilmapumpulla. Boyle havaitsi, että kaasun paine ja tilavuus olivat kääntäen verrannollisia lämpötilan pysyessä koko muutosprosessin aikana vakiona. Tämän pohjalta hän kehitti Boylen laiksi kutsutun termodynaamisen lain. Boyle myös havaitsi, että paineen ollessa alhainen myös veden kiehumispiste laskee.

Tieteellisen vallankumouksen jälkeinen aika 

Tieteellisen vallankumouksen katsotaan usein päättyneen Newtonin Principiaan. Näin ollen tieteellinen vallankumous kesti lähes 150 vuotta. Tieteellisen vallankumouksen seurauksena syntynyt uusi luonnontiede tuli yliopistojen ulkopuolelta. Useimmat sen ajan suuret nimet olivat itseoppineita tai suoraan hallitsijan palveluksessa. Valtiovalta alkoi tukea hyödylliseksi havaittuja tieteitä perustamalla tiedeakatemioita. Ensimmäiset tällaiset akatemiat syntyivät Englannissa ja Ranskassa 1660-luvulla. Berliiniin tiedeakatemia perustettiin vuonna 1700 ja Pietariin 25 vuotta myöhemmin. Akatemiat varustivat observatorioita, laboratorioita sekä kustansivat tutkimusmatkoja, joiden tulokset päätyivät akatemian haltuun, lisäksi järjestettiin erilaisia kilpailuja ja jaettiin palkintoja lähinnä teknisluonteisista keksinnöistä. Akatemioiden kokoelmat olivat avoinna yleisölle, ja näin saivat nykyaikaiset museot alkunsa. Eri maiden akatemiat olivat tiiviissä yhteistyössä ja kirjeenvaihdossa; tiede järjestäytyi pikkuhiljaa.

Luonnontieteet eivät kuuluneet alun perin yliopistojen opettamiin aineisiin, mutta 1700-luvulle tultaessa ne alkoivat vakiinnuttaa asemaansa. Yliopistoilta alettiin vaatia enemmän yhteiskunnallisesti hyödyllistä tietoa, muun muassa teollistumisen tarpeisiin. Esimerkkinä suunnanmuutoksesta on Turun akatemian lakkauttama runousopin professuuri, jonka tilalle perustettiin taloustieteen professuuri.

Sähkön tutkiminen 1700-luvulla 

Yhdysvaltalainen poliitikko ja tiedemies Benjamin Franklin lennätti ukonilmalla leijaa vuonna 1752. Franklin havaitsi leijan toisessa päässä olleessa avaimessa kipinöintiä. Franklin rakensi tämän kokeen perusteella ensimmäisen ukkosenjohdattimen. Franklin otti käyttöön käsitteet positiivisesta ja negatiivisesta sähkövarauksesta. Franklin ajatteli sähkön olevan jonkinlaista ainetta tai nestettä. Jos kappaleessa on sähköä ylimäärin, on kappale positiivisesti varautunut, päinvastaisessa tapauksessa varaus on negatiivinen. Franklinin mielestä sähkövaraus ei synny eikä häviä, se vain siirtyy kappaleesta toiseen. Sähköisesti neutraali kappale sisältää yhtä paljon molempia varauksia. Kun varausta siirtyy kahden alun perin neutraalin kappaleen välillä, molemmat varautuvat: toinen negatiivisesti, toinen positiivisesti. Franklin havainnollisti varauksen säilymistä kokeella, jossa kaksi ihmistä seisoi sähköä eristävällä alustalla. Toinen hieroi kankaalla lasisauvaa, jota toinen piteli kädessään. Kumpaankin siirtyi varausta, toiseen kankaasta, toiseen lasisauvasta. Kun heidän sormensa tulivat lähelle toisiaan, niiden välillä näkyi kipinä ja molemmat neutraloituivat. Varauksen säilyminen onkin fysiikan tärkeitä säilymislakeja. Sähköä tutkittiin tarkemmin vasta 1800-luvulla, mutta Franklinin ja muiden 1700-luvulla tekemät perushavainnot olivat arvokkaita.

Euroopassa sähköä tutki 1700-luvulla etenkin ranskalainen Charles Augustin de Coulomb, joka kehitti Coulombin lain, jonka mukaan ”hiukkasen toiseen hiukkaseen kohdistama sähköinen voima on verrannollinen hiukkasten varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön.”

Atomiteorian synty 

Tultaessa 1800-luvulle sähkö ja termodynamiikka olivat fysiikan osa-alueet, joissa edistyttiin eniten. Käsitys aineen rakenteesta alkoi selventyä, kun atomioppi heräsi uudelleen eloon. John Dalton esitteli vuonna 1808 atomiteorian, jonka mukaan kaikki aine koostui pienistä partikkeleista. Dalton oli tullut tähän lopputulokseen tutkimalla kaasujen tilavuuksien suhteita kemiallisissa reaktioissa. Jo ennen Daltonia italialainen jesuiittapappi Roger Joseph Boscovich oli kuvannut vuonna 1758 teoksessaan Philosophiae naturalis theoria atomeita eräänlaisina pistemäisinä voimakeskittyminä.

Daltonin atomiteoria sai alkunsa, kun hän tutki hiilimonoksidia (häkää). Dalton havaitsi, että hiilimonoksidia syntyy, kun hapen ja hiilen annetaan reagoida suhteessa 3:4. Kun sitten hiilen ja hapen annetaan reagoida suhteessa 3:8, syntyykin hiilidioksidia. Näiden kokemusten pohjalta Dalton ajatteli hiilimonoksidimolekyylin koostuvan yhdestä happi- ja hiiliatomista ja hiilidioksidin yhdestä hiili- ja kahdesta happiatomista. Vastaavilla kokeilla Dalton määritti silloin tunnettujen alkuaineiden suhteellisia atomimassoja.

Sähkömagnetismi 

Englantilainen fyysikko Michael Faraday tutki sähköä ja kehitti sitä käyttäviä laitteita. Hän keksi muun muassa muuntajan, Faradayn häkin ja sähkömoottorin edeltäjän, roottorin. Parhaiten Faraday kuitenkin muistetaan keksimästään induktiosta. Faraday ymmärsi, että muuttuva magneettikenttä saa aikaan induktion. Faraday loi myös kenttäkäsitteen, jota kuvataan magneettisilla voimaviivoilla.

Skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell muistetaan erityisesti sähkö- ja magneettikenttiä koskevista neljästä yhtälöstään, jotka hän esitteli työssään Dynamical Theory of the Electric Field. Niiden perusteella hän päätteli myös, että valokin on sähkömagneettista aaltoliikettä. Maxwellin työ oli aikansa suuri saavutus ja se on erityisen merkittävä, koska sen katsotaan olleen pohjana Lorentz-muunnokselle. Lorentz-muunnos on olennainen suhteellisuusteorian työkalu liikkeessä olevan kappaleen koordinaatistosta paikallaan olevan kappaleen koordinaatistoon siirryttäessä. Koordinaatistomuunnosten merkitys elektrodynamiikassa ilmenee esimerkiksi tilanteessa, jossa varaus on liikkeessä levossa olevan kappaleen suhteen. Liikkeessä oleva varaus näkee varauksen aiheuttaman sähkökentän, mutta varaus ei aiheuta levossa olevan kappaleen koordinaatistossa magneettikenttää. Jos kappale kuitenkin liikkuu varaukseen nähden, varaus kuljettaa kappaleen näkökulmasta sähkövirtaa ja aiheuttaa magneettikentän. Maxwellin yhtälöt eivät kuitenkaan olleet invariantteja Galilein muunnoksessa, ja fyysikoilla oli edessään vakava ongelma. Tämän ongelman ratkaisi Maxwellin kuoleman jälkeen Hendrik Lorentz, joka keksi Lorentz-muunnoksen – oudolta tässä tuntui se, että kappaleiden kokemat ajat riippuvat kappaleen liiketilasta.

Maxwell tutki sähkön lisäksi muitakin fysiikan alueita. Hän osoitti muun muassa sen, että Saturnuksen renkaiden täytyy koostua erillisistä hiukkasista. Hän myös tutki kineettistä kaasuteoriaa.

Saksalainen Heinrich Hertz onnistui ensimmäisenä tuottamaan ja vastaanottamaan sähkömagneettisia aaltoja värähtelypiirien avulla. Tuottaessaan sähkömagneettisia aaltoja sähköpurkauksen avulla Hertz havaitsi myös sattumalta, että sähköpurkauksessa syntynyt valo voimisti toisessa laitteessa käynnissä ollutta sähköpurkausta. Kyseinen ilmiö tunnetaan valosähköisenä ilmiönä, jota Hertz ei kyennyt selittämään eikä hän uskonut ilmiöllä olevan mitään käytännön merkitystä.

Termodynamiikka ja energian säilyminen 

Myös termodynamiikka kehittyi voimakkaasti 1800-luvulla. Vielä vuosisadan alussa oletettiin yleensä, että lämpö olisi erityinen aine, kalorikki, joka voisi siirtyä kappaleesta toiseen. Tutkimus johti kuitenkin pian päätelmään, että lämpö onkin aineen pienimpien osasten, atomien ja molekyylien liikettä. James Joule osoitti, että tiettyä määrää mekaanista energiaa vastaa aina tietty määrä lämpöä. Tämän perusteella Hermann von Helmholtz esitti 1840-luvulla yleisen energian säilymislain, jolla on keskeinen merkitys fysiikan kaikilla aloilla. Termodynamiikassa se tunnetaan myös ensimmäisenä pääsääntönä.

William Thomson (tunnetaan myös lordi Kelvininä) tutki myös sähkömagnetismia, mutta tuli tunnetuksi työstään termodynamiikan parissa. Thomson osoitti tutkimuksissaan, että lämpötilalla on alaraja, absoluuttinen nollapiste, jonka hän johti teoreettisesti. Hänen mukaansa on nimetty SI-järjestelmän mukainen lämpötilan absoluuttinen yksikkö Kelvin. Thomson määritti myös maapallon iän vuonna 1862 arvioimalla sen lämpötilan laskuun perustuen. Thomsonin saama ikäarvio oli 24–400 miljoonaa vuotta. Thomsonin laskuissa oli kuitenkin perusvirhe: hän ei ottanut huomioon maapalloa lämmittäviä tekijöitä kuten radioaktiivista hajoamista. Tosin radioaktiivisuutta ei tuohon aikaan vielä tunnettu.

Entropia-käsitteen kehittyminen 

Ludwig Boltzmann oli 1800-luvun termodynamiikan kärkinimi. Hän selvensi entropian käsitettä. Boltzmannin mukaan entropia on suora seuraus atomien olemassaolosta. Tuohon aikaan atomeja ei ollut täysin hyväksytty kuvaamaan kaikkeuden rakennetta. Boltzmann osoitti myös termodynamiikan toisen pääsäännön olevan seurausta hiukkasten liikkeiden tilastollisista ominaisuuksista. Boltzmannin työt olivat aikanaan kiisteltyjä, mutta aikaa myöten työt johtivat uuden fysiikan haaran, statistisen fysiikan, kehittymiseen.

Boltzmann esitti teorioissaan, että maailmankaikkeus oli ajautumassa ajan mittaan lämpökuolemaan, koska kaikkeus pyrkii jatkuvasti epäjärjestykseen. Teoria oli Boltzmannin aikana kiistelty, sillä kaikkeuden tiedettiin olevan hyvin vanha ja aprikoitiin, miksei sitten kaikkeus ole epäjärjestyneempi mitä se todellisuudessa on. Boltzmann vastasi tähän, että äärettömän pitkän ajan kuluessa myös järjestys voi syntyä itsestään, tämä on tosin epätodennäköistä, mutta kuitenkin mahdollista. Vastaus ei ollut kovinkaan tyydyttävä tiedepiireissä, sillä se tarkoittaisi sitä, että aika kuluu eri paikoissa eri tavalla ja tämä oli vastoin silloista käsitystä ajasta.

Röntgensäteily ja radioaktiivisuus

Saksalainen Wilhelm Conrad Röntgen tuli tunnetuksi työstään sähkömagnetismin parissa. Hänen mukaansa nimetyt röntgensäteet oli kuitenkin onnistuttu tuottamaan jo ennen häntä. Röntgen teki vuonna 1895 kokeita tyhjiöputkella tutkiessaan niin sanottuja katodisäteitä, joita tutkittiin tuolloin lähes joka puolella maailmaa erittäin paljon. Eräänä iltana pimeän tultua Röntgen peitti putken mustalla pahvilla, jotta voisi havaita paremmin putken tuottaman fluoresenssin. Yllätyksekseen hän huomasi jonkin matkan päässä putkesta pöydällä olleen bariumplatinosyanidilla päällystetyn fluoresoivan levyn hehkuvan heikosti. Hehku voimistui, kun levy vietiin lähemmäs putkea ja heikkeni levyä loitonnettaessa. Röntgen oli varma, että hän oli kohdannut uuden säteilymuodon, joka kykeni läpäisemään kiinteitä kohteita. Röntgen sai löydöstään ensimmäisen Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1901.

Ranskalainen Henri Becquerel teki myös suuren löydön, joka on sittemmin mullistanut maailman energiantuotantoa. Hän löysi vuonna 1896 uraanin radioaktiivisuuden, muttei osannut selittää sitä. Tiedemaailma ei aluksi ollut Becquerelin havainnoista kiinnostunut, sillä löydön arveltiin olleen vain yksi valon esiintymismuoto. Vasta muutamaa vuotta myöhemmin Pierre ja Marie Curie alkoivat tutkia sitä systemaattisesti, jolloin he löysivät uusia, vielä voimakkaammin radioaktiivisia alkuaineita, kuten radiumin. Curiet ja Becquerel saivat löydöstään Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1903. Curiet havaitsivat, että kyseessä oli atomin sisäinen ominaisuus, joka johtui sen epästabiilisuudesta. Säteilyn ominaisuuksien tarkempi tutkiminen johti myös atomiytimen löytämiseen. Todettiin, että vain osa ytimistä on stabiileja, muut hajoavat tietyllä nopeudella ja tämä hajonta aiheuttaa radioaktiivista säteilyä. Löytö perusti täysin uuden fysiikan tutkimiseen keskittyneen haaran, ydinfysiikan. Kaikkien alkuaineiden atomiytimien todettiin koostuvan samoista hiukkasista, protoneista ja neutroneista. Ydinfysiikkaa sovelletaan ydinreaktoreissa energian tuottamiseen.

Moderni fysiikka muuttaa käsityksen 

1800-luvun lopulla fysiikan tutkimisen uskottiin pian olevan ohi ja kaiken mahdollisen olevan selitetty fysiikan avulla. Myöhemmin osoittautui, että tämä usko oli harhaluulo ja lähes 300 vuotta vallinnut newtonilainen mekaniikka osoitettiin vääräksi.

Ihmisten tiede- ja fysiikkausko oli korkeimmillaan 1800-luvulla. Suuret läpimurrot sähkön tutkimisessa sekä muilla fysiikan aloilla saivat ihmiset luottamaan tieteeseen niin paljon, että siltä odotettiin vastausta kaikkiin ihmisen ongelmiin. Seuraavalla vuosisadalla mielipide kuitenkin muuttui nopeasti päinvastaiseksi, suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka veivät fysiikan maalaisjärjen ulottumattomiin, ja toinen maailmansota sekä Japaniin pudotetut ydinpommit muuttivat tieteeseen suhtautumista.

Fysiikassa heräsi varsinkin arjalaisuutta kannattaneiden vaikutuksesta uusi juopa. Nobel-palkitut Philipp Lenard ja Johannes Stark kampanjoivat päämääränään jakaa fysiikka epäterveeseen juutalaiseen ja terveeseen arjalaiseen fysiikkaan. Albert Einsteinin ja hänen suhteellisuusteoriansa katsottiin siten kuuluvan epäterveeseen luokkaan. Suomessa jakoa kannatti muun muassa silloinen Teknillisen korkeakoulun rehtori Hjalmar Mellin.

Mittaustekniikka parani selvästi 1900-luvulla. Atomia pystyttiin tutkimaan entistä tarkemmin, mikä myös edisti kemian perusteiden tutkimista.

Muutos alkaa mustasta kappaleesta 

Fysiikka koki suuren murroksen 1900-luvun alkuvuosina. Merkittävä murroksen aiheuttaja oli Gustav Kirchhoffin ongelma mustan kappaleen säteilyn ennustavan lain muodostamisesta 1830-luvulla. Toinen merkittävä tieteen harha-askel, joka korjattiin 1900-luvulla, oli valon käyttäytymisen selittäminen mekaniikan avulla. Oli syntynyt käsite eetteristä, väliaineesta jota pitkin valon uskottiin kulkevan samalla tavoin kuin ääni ilmassa. Eetterin ominaisuudet olivat kuitenkin ristiriitaisia: sen piti olla nestemäistä, jäykkää, taipuvaista, kovaa ja kitkatonta.

Planck: kvantittuminen 

Mustan kappaleen säteily oli ollut ongelmana fyysikoille aina vuodesta 1862 lähtien. Mustan kappaleen säteilyä yritettiin selittää useilla erilaisilla laeilla, onnistumatta. Laeilla pystyttiin kuvaamaan säteilyä tietyllä aallonpituusvälillä, muttei suinkaan kaikilla. Heinrich Rubens ja Ferdinand Kurlbaum olivat keksineet jäännössäteilymenetelmän, joka antoi ensiarvoisen tärkeätä tutkimustietoa. Rubensin vieraillessa Max Planckin luona Planck sai tietoja Rubensin tekemien mittausten tuloksista. Näiden tietojen pohjalta Planck sai luoduksi toimivan lain mustan kappaleen säteilylle. Tämä vaati kuitenkin energiakäsitteen muuttamista. Planck kuvasi mustan kappaleen säteilyä aallonpituuden funktiona, jossa hän yhdisti Wilhelm Wienin ja Rayleigh-Jeansin teoriat kuvaamalla energian uudella tavalla: energia ei voinut olla jatkuvaa vaan se oli epäjatkuvaa, pienistä energiapaketeista koostuvaa.

Planck esitteli ideansa Saksan fyysikkoseuran jäsenille 14. marraskuuta 1900. Huolimatta siitä, että energiaa voitiin Planckin mukaan kuvata kahdella päinvastaisella tavalla, ideaan ei kohdistettu suurtakaan huomiota. Planck itsekin epäili omaa teoriaansa. Työnsä yhteydessä Planck määritteli luonnonvakion, jota kutsutaan Planckin vakioksi. Planck oletti, että kvantin energia on , jossa  on Planckin vakio,  on taajuus ja  on 1, 2, 3, ... Albert Einstein osoitti myöhemmin, että sähkömagneettinen säteily koostui kvanteista, joiden energia on . Einstein käytti tätä ja Niels Bohrin kehittämää atomimallia hyväkseen ja johti Planckin säteilylain uudelleen vuonna 1917.

Einstein: annus mirabilis 

Saksalainen fyysikko, tuolloin patenttivirkailija, Albert Einstein laittoi fysiikan kivijalat koetukselle vuonna 1905. Vuotta kutsutaan nimellä annus mirabilis (ihmeiden vuosi). Einstein julkaisi tuona vuonna viisi työtä, joista kolme mullisti maailmaa.

Ensimmäinen Einsteinin ihmeiden vuoden työ oli Heinrich Hertzin löytämän valosähköisen ilmiön selittäminen. Einstein käytti tässä apunaan Planckin teoriaa energian kvantittumisesta. Einsteinin mukaan valo voi irrottaa metalleista elektroneja, jos siinä on vain tarpeeksi energiaa. Tästä työstä Einstein sai vuonna 1921 Nobelin fysiikanpalkinnon. Valosähköistä ilmiötä käytetään nykyään hyödyksi muun muassa kameroissa ja valokennoissa.

Seuraavaksi Einstein selitti Brownin liikkeen. Englantilainen botanisti Robert Brown havaitsi 1800-luvulla, että siitepöly, tuhka ja muu hienojakoinen materiaali liikkuu epäsäännöllisiä ratoja pitkin nesteessä. Atomin käsite ei ollut tuolloin kovinkaan hyväksytty. Monien epäonnistuneiden yritysten jälkeen Einsteinin onnistui selittää ilmiö: epäsäännöllinen liike johtuu atomien lämpöliikkeestä. Lämpöliikkeessä atomit törmäilevät toisiinsa ja törmäily eri osiin on satunnaista. Törmäilyt saavat hiukkasen liikkeelle ja törmäysten määristä eri kohtiin liikuttaa hiukkasta satunnaisesti. Tämä oli vahva näyttö sille, että materiaali koostuu atomeista.

Kolmas merkittävä työ oli suppea suhteellisuusteoria. Einstein hylkäsi teoriassaan eetterikäsitteen sekä aiemman käsityksen liikkeestä ja ajasta. Fyysikot ajattelivat valon ja sähkön kulkevan väliaineessa, jota kutsuttiin eetteriksi. Einsteinin mukaan liike on suhteellista, eli tasanopeuksisen liikkeen nopeus riippuu siitä minkä suhteen nopeus mitataan. Autossa istuessaan ihminen on levossa autoon nähden, mutta jatkuvassa liikkeessä tiehen nähden. Tämä klassinen suhteellisuus­periaate tunnettiin jo huomattavasti aiemmin. Einstein huomautti, että erityisesti sähkö­magneettista kenttää kuvaavat luonnon lait ovat samat kaikilla tasaisessa liikkeessä olevilla kappaleilla. Esimerkiksi (lähes) valon nopeudella etenevä ihminen näkee aina kasvonsa edessään olevasta peilistä. Valon nopeus on vakio, joten se on sama kaikissa koordinaateissa huolimatta siitä, mikä on kappaleen nopeus – ja valon nopeus on myös suurin mahdollinen fysikaalinen nopeus. Klassisen fysiikan mukaan ajateltuna juoksija ei näe kasvojaan, koska hän juoksee valoaaltojen rinnalla eivätkä aallot ehdi koskaan heijastua takaisin peilistä. Jotta ajatus toimisi, piti Einsteinin muuttaa ajan käsitettä: aika ei kulje kaikissa systeemeissä samalla tavalla. Muita seurauksia on muun muassa pituuden lyheneminen.

Muut Einsteinin ihmevuonnaan saavuttamat tulokset olivat Einsteinin väitöstyö, jossa hän laski sokerimolekyylin koon, ja suppean suhteellisuusteorian laajennus, jossa esiteltiin kenties kuuluisin fysiikan kaava E=mc².

Thomson, Rutherford ja Bohr: atomimalli 

Einstein oli todistanut kokeellisesti atomien olemassaolon, mutta se ei vielä riittänyt. Fysiikka tieteenä ei ollut läheskään valmis. Aineen pohjimmainen rakenne oli selvittämättä. J. J. Thomson oli jo vuonna 1897 havainnut kokeissaan elektronin. Seitsemän vuotta myöhemmin hän esitteli niin sanottua rusinapullamallia ('Thomsonin malli'), jossa elektronit olivat kiinni kimmoisessa atomissa kuten rusinat pullassa. Ernest Rutherford osoitti vuonna 1911, ettei Thomsonin malli ollut riittävä ja hän erotti atomista kaksi osaa: ytimen ja elektronipilven. Rutherfordin mallissa elektronit kiertävät tarkkoja ratoja, eivätkä ne voi muuttaa ratojaan. Malli ajautui ongelmaan, sillä sen mukaan ydintä kiertävien elektronien olisi pitänyt lähettää jatkuvaa sähkömagneettista säteilyä. Tämän ongelman ratkaisi Niels Bohr, joka oli saanut tutkijatohtoristipendin Englantiin, missä hän hakeutui Thomsonin laboratorioon Cambridgeen. Bohr kertoi suoraan Thomsonille, mitä hän ajatteli tämän atomimallista ja heidän suhteensa muuttui riitaisaksi. Vuotta myöhemmin Bohr pääsi töihin Rutherfordin laboratorioon, ja hän julkaisi oman atomimallinsa vuonna 1913.

Bohrin malli poikkeaa Rutherfordin mallista näkyvimmin siinä, että elektronit pystyivät siirtymään diskreettien ratojen välillä. Alin tila on vähäenergiaisin, ja energia nousee asteittain mitä suuremmaksi radan etäisyys ytimestä käy. Malli selittää atomien säteilemän sähkömagneettisen säteilyn elektronien siirtymisellä energiatasojen välillä. Elektronin siirtyessä suuremmalta tasolta pienemmälle elektroni säteilee ylimääräisen energian. Bohrin malli sisältää ajatuksia kvanttimekaniikasta, mutta se ei ole puhtaasti kvanttimekaaninen atomimalli. Bohrin mallin tiedetään olevan virheellinen, mutta sen yksinkertaisuuden takia sitä opetetaan edelleen kouluissa. Kvanttimekaniikan kehittyessä syntyi uusi atomimalli.

Nordström ja Einstein: painovoimateoria 

Albert Einstein kohautti maailmaa uudelleen vuonna 1915 julkaistessaan yleisen suhteellisuusteorian. Teoria keskittyy painovoiman syyn selvittämiseen. Einstein ei ollut kuitenkaan ainoa, joka 1910-luvun alussa pyrki selvittämään samaa asiaa. Suomalaisella Gunnar Nordströmillä on huomattava osuus teorian kehityksessä. Nordströmin teoria oli ennen Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa paras vaihtoehto painovoiman selittämiselle. Einstein itse tutki Nordströmin teoriaa hyvin paljon. Nordströmin teoriaa voidaan kutsua yleisen suhteellisuusteorian skalaarimuotoiseksi edelläkävijäksi (yleisessä suhteellisuusteoriassa käytetään tensorilaskentaa). Nordströmin teoria ennusti muun muassa sen, ettei valo kaareudu painovoimakentässä.

Einsteinin ja Nordströmin kilpailevia teorioita oli tarkoitus testata Etelä-Venäjällä elokuussa vuonna 1914. Testausta ei koskaan tehty, sillä tutkimusryhmä kaapattiin. Einsteinin julkaisema yleinen suhteellisuusteoria ei aluksi vakuuttanut gravitaatiosta kiinnostuneita fyysikoita. Max von Laue piti vuonna 1917 Nordströmin teoriaa huomattavana kilpailijana Einsteinin teorialle. Kokeellinen todistus saatiin vuonna 1919 auringonpimennyksen aikana suoritetuista mittauksista, jotka kallistivat vaa'an Einsteinin teorian eduksi. Yleinen suhteellisuusteoria muuttaa myös ajan käsitystä. Suppeassa suhteellisuusteoriassa Einstein esitti ajan olevan suhteellista ja yleisessä hän laajentaa ajan käsitettä siten, että myös aika on paikallista.

De Broglie: aalto-hiukkasdualismi 

Kvanttimekaniikan katsotaan syntyneen, kun ranskalainen fyysikko Louis de Broglie kehitti teoriaansa. Aiemmin havaitun valon aalto-hiukkasdualismin innoittamana de Broglie päätteli, ettei valo voi olla aineeseen verrattuna erikoistapaus. De Broglie väitti, että hiukkasilla, kuten protonilla ja elektronilla, esiintyy vastaavanlaista aalto-hiukkasdualismia eli hiukkasilla on sekä aallon että hiukkasen ominaisuudet. De Broglie esitti vuonna 1923 hiukkasen aallonpituudelle kaavan λ=h/p jossa λ on hiukkasen aallonpituus, h on Planckin vakio ja p on hiukkasen liikemäärä. Kokeellinen todistus tälle saatiin kolme vuotta myöhemmin.

Pauli: kieltosääntö 

Itävaltalainen Wolfgang Pauli esitti vuonna 1925 teorian, jonka mukaan yhdessä kvanttitilassa ei voi olla kahta samanlaista elektronia. Sääntö tunnetaan Paulin kieltosääntönä. Pienin poikkeama syntyy elektronin spinien vastakkaisesta luvusta, muut kvanttitilat säilyvät samoina. Pauli itse vastusti spin-käsitettä, joka kuvaa hiukkasen ”pyörimistä”. Pyörimistä ei tule ymmärtää sellaisena kuin se tavanomaisesti ajatellaan – jos näin olisi, elektroni pyörisi kymmenkertaisella valonnopeudella akselinsa ympäri. Paulin kieltosääntö syntyi ongelmasta, jossa joka kahdeksas alkuaine oli samankaltainen. Pauli selitti tämän kieltosäännöllään.

Heisenberg: epätarkkuusperiaate 

Werner Heisenberg on myös kvanttimekaniikan tärkeitä kehittäjiä. Heisenberg laati vuonna 1925 kvanttimekaniikan matriisiformalismin, mistä hän sai myös Nobelin fysiikanpalkinnon. Parhaiten Heisenberg tunnetaan epätarkkuusperiaatteen kehittämisestä. Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan hiukkasten tiettyjä observaabelipareja ei voida mitata äärettömän tarkasti niin, ettei toisen ominaisuuden mittaus karkeistuisi toisen tarkentuessa.

Schrödinger: aaltofunktio 
De Broglien ajatuksista kiinnostunut Erwin Schrödinger esitti vuonna 1926 formalismin, jossa hiukkasten paikkaa avaruudessa kuvataan todennäköisyysjakaumilla. Jakaumaa kuvaava aaltofunktio saadaan Schrödingerin yhtälön ratkaisuna. Myöhemmin huomattiin, että Heisenbergin matriisimekaniikka ja Schrödingerin aaltomekaniikka olivat saman asian eri esitysmuodot. Schrödinger muistetaan myös vuonna 1933 esittämästään Schrödingerin kissaparadoksista.

Born: todennäköisyystulkinta 

Max Born oli myös 1920-luvun puolivälissä syntyneen kvanttimekaniikan perustajia. Hänen panoksensa kvanttimekaniikkaan oli niin sanottu todennäköisyystulkinta. Max Born esitti vuonna 1926, että aaltofunktio korotettuna toiseen potenssiin antaa todennäköisyysalueen, josta hiukkanen on löydettävissä. Tämän mukaan ei voida siis sanoa, että hiukkanen, esimerkiksi elektroni, on täsmälleen määrätyssä paikassa, vaan että sen löytämiselle tietystä paikasta on aina tietty todennäköisyys.

Dirac: antimateria 

Paul Diracin panostus kvanttimekaniikkaan on myös ollut merkittävä. Hänet muistetaan ehkä parhaiten antimaterian teoreettisesta löytämisestä. Paul Dirac kehitti vuonna 1928 suhteellisuus- ja kvanttiteorioita yhdistelleen elektronin käyttäytymistä kuvaavan yhtälön. Tämä ratkaisi kvanttimekaniikkaa piinanneen ongelman: kvanttimekaniikan mukaan oli olemassa hiukkasia, joiden nopeus oli lähellä valonnopeutta. Dirac huomasi kehittämässään yhtälössä oudon piirteen: se antoi kaksi ratkaisua. Yhtälö antoi kahdelle elektronille energiat, mutta toisen piti olla positiivisesti ja toisen negatiivisesti varautunut. Dirac päätteli tästä, että on olemassa antihiukkasia eli hiukkasia, jotka ovat muutoin identtisiä parinsa kanssa, mutta niillä on merkiltään päinvastainen varaus. Antielektroni löydettiinkin vuonna 1932.

Feynman, Stinger ja Tomonaga: kvanttikenttäteoria 

Paul Dirac oli osallisena niin sanotun kvanttikenttäteorian synnyssä yritettyään kuvata sähkömagneettista kenttää kvanttien avulla. Merkittävin saavutus teorian osalta tehtiin 1948, kun Richard Feynman ja Julian Schwinger sekä heistä riippumatta Sin-Itiro Tomonaga kehittivät sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvaavan kvanttikenttäteorian eli QED:n. Teoria kuvaa aineen ja sähkömagneettisen kentän vuorovaikutusta. Kentän välittäjähiukkanen on fotoni. Kaikki muut perusvuorovaikutukset (perusvoimat) on saatu kuvatuksi kvanttikenttäteorioiden avulla paitsi gravitaatio, joka kuvataan yleisen suhteellisuusteorian avulla. Atomin rakennetta on saatu selvitetyksi entistä tarkemmin, ja kokeellisesti on todistettu, että protonit ja neutronit koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista, kvarkeista. (Katso myös: Kvanttiteoria ja Hiukkasfysiikan standardimalli)

Fysiikan tulevaisuus 

Suurimpia fysiikan ongelmia on gravitaation kvanttimekaaninen malli. Gravitaatiovuorovaikutuksen välittäjähiukkasta gravitonia ei ole toistaiseksi pystytty löytämään. Hiukkasen odotetaan kuitenkin löytyvän toukokuussa 2008 valmistuneella LHC-hiukkaskiihdyttimellä. LHC-kiihdyttimeltä odotetaan myös vastauksia Higgsin bosoniin ja supersymmetrian olemassaoloon. Kiihdyttimeltä odotetaan myös kokeellisia tuloksia säieteorian tueksi: vahvistusta useamman kuin tuttujen kolmen tilaulottuvuuden olemassaololle.

Pitkän aikavälin kysymys on: tuleeko fysiikka koskaan valmiiksi?

Katso myös 
 Sähkön ja elektroniikan historia

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

Rasinkangas, Reijo – Tieteen ja ajattelun historiaa
American Institute of Physics – Center for History of Physics
Segrè, Emilio Visual Archives (Kuvia liittyen fysiikkaan ja fyysikoihin)

Seulonnan keskeiset artikkelit