Kansainvälinen fysiikan vuosi

Kansainvälinen fysiikan vuosi oli Yhdistyneiden kansakuntien tunnustama&lt;ref name="UN Press Release GA/10243"&gt;&lt;/ref&gt; kansainvälinen fysiikan juhlavuosi, jota vietettiin vuonna 2005 Albert Einsteinin sata vuotta aiemman ”annus mirabilisin” kunniaksi. Vuonna 1905 Einstein julkaisi kolme fysiikan kehitykselle merkityksellistä tutkimusta kolmesta täysin eri aiheesta. Tutkimukset muun muassa loivat pohjaa kvanttifysiikalle, todistivat lopullisesti atomien olemassaolon ja ennakoivat maailman todennäköisesti kuuluisinta fysiikan kaavaa, E=mc².
Taustaa.
Fysiikan järjestö International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) ehdotti, että vuotta 2005 pitäisi juhlia erityisesti fysiikan vuotena. Ajatusta tukivat muun muassa Yhdysvaltain kongressi, Yhdistyneet kansakunnat ja UNESCO. Fysiikan vuotta vietettiin paitsi Einsteinin vuoden 1905 käänteentekevien tulosten juhlistamiseksi, myös fysiikan näkyvyyden ja ymmärrettävyyden parantamiseksi sekä alan yhteiskunnallisestikin merkittävän aseman korostamiseksi.
Einsteinin artikkelit muuttivat paitsi ymmärtämystä maailmasta, myös loivat pohjan monelle nykyteknologian laitteelle. YK:n yleiskokouksen resoluutio&lt;ref name="58/293"&gt;&lt;/ref&gt; korostaa fysiikan ymmärtämistä myös kehityksen ja teknologian avaimena. Fysiikka nähdään siinä ratkaisuksi moniin suuriin ongelmiin, kuten energian tuotanto, ympäristönsuojelu ja kansanterveys.
Annus mirabilis.
Einsteinin "ihmevuoden" (Annus mirabilis) satavuotisjuhla on merkittävä ennen kaikkea sen fysiikan filosofiassa tapahtuneen muutoksen vuoksi, joka vuotta 1905 on seurannut. Muutos alkoi kolmesta Einsteinin "Annalen der Physik" -lehden samassa numerossa julkaisemasta artikkelista, jotka käsittelivät valosähköistä ilmiötä, Brownin liikkeen selittämistä ja suppeaa suhteellisuusteoriaa. Kussakin Einstein onnistui selittämään fyysikoita parhaimmillaan vuosikymmenet ihmetyttäneet kokeelliset tulokset teoreettisesti. Kaikki kolme teoriaa olisivat fyysikkoyhteisönkin mielestä olleet Nobel-palkinnon arvoisia, mutta vain valosähköinen ilmiö sen lopulta 1921 sai.
Valosähköinen ilmiö.
Artikkeleista ensimmäinen esitti Max Planckin motivoimana ajatuksen "energiakvanteista" ja osoitti, kuinka niitä voidaan hyödyntää selitettäessä valosähköistä ilmiötä. 9. kesäkuuta 1905 ilmestyneessä artikkelissa Einstein osoitti, että valolla on energiaa tietyn kokoisina paketteina, kvantteina, ja tältä pohjalta pystyttiin selittämään elektronien irtoaminen valaistulta pinnalta tietyillä ehdoilla.
Brownin liike.
Vuoden toinen, 18. heinäkuuta 1905 ilmestynyt artikkeli luonnosteli stokastisen mallin 1800-luvulla havaitulle, mutta selittämättömälle Brownin liikkeelle. Ilmiössä hienojakoinen materiaali liikkuu nesteessä epäsäännöllisiä ratoja pitkin. Einstein selitti ilmiön atomien lämpöliikkeestä johtuvaksi: atomit ovat jatkuvassa, satunnaisessa liikkeessä ja törmäilevät nesteessä oleviin hiukkasiin, jotka törmäysten summana liikkuvat satunnaisesti. Siihen saakka tiedemiehet eivät olleet yksimielisiä atomien olemassaolosta, vaikka useimmat fyysikot ja kemistit pitivät käsitettä hyödyllisenä. Tämän artikkelin katsottiin lopullisesti todistavan, että aine koostuu atomeista.
Suppea suhteellisuusteoria.
26. syyskuuta 1905 julkaistu kolmas artikkeli esittelee sähkömagnetismin kanssa yhteensopivan teorian ajasta, matkasta, massasta ja energiasta, mutta ei selvitä vielä gravitaation yhteyttä. Suppea suhteellisuusteoria postuloi valon nopeuden havaitsijan liikkeestä riippumattoman absoluuttisuuden. Tämä selvittää Michelsonin-Morleyn kokeen tuloksen, jossa vastakkaisiin suuntiin liikkuville valonsäteille ei pystytty mittaamaan nopeuseroa. Jotta valon nopeus saatiin absoluuttiseksi, Einsteinin piti muuttaa aikakäsitystä: suppean suhteellisuusteorian mukaan ajan kuluminen riippuu siitä, millä nopeudella havainnoitsija liikkuu.
Suppea suhteellisuusteoria sai vielä 21. marraskuuta 1905 laajennuksen, joka julkaistiin "Annalen der Physikin" seuraavassa numerossa. Siinä kaava E=mc² esiteltiin ensimmäisen kerran.
Seurauksia.
Suppean suhteellisuusteorian perillisenä saatiin aivan uudenlaista fysiikkaa, joka poikkesi Isaac Newtonin klassisesta mekaniikasta. Valosähköistä ilmiötä käsitellyt tutkimus kiihdytti kvanttimekaniikan kehitystä, huolimatta Einsteinin itsensä epäilevästä suhtautumisesta kvanttiteoriaan. Einstein näki sen vain askeleena sähkömagnetismin, suhteellisuusteorian ja kvanttiteorian yhdistävään suureen yhtenäisteoriaan, joskaan ei kieltänyt sen onnistuneisuutta fysikaalisten ilmiöiden selittämisessä ja ennustamisessa. Einsteinin haaveilema suurten perusteorioiden yhdistäminen teettää edelleen töitä teoreettisilla ja kokeellisilla fyysikoilla muun muassa kvanttimekaniikan, säieteorian ja suprajohtavuuden parissa.
Brownin liikkeen teoreettinen pohja paitsi antoi keinot atomien havaitsemiseen ja todelliseksi osoittamiseen, myös vakiinnutti huomattavasti statistisen fysiikan tuolloin vielä horjuvaa asemaa. Einsteinin alkuperäinen teoria on edelleen vahvasti esillä muun muassa biologisen fysiikan tutkimuksessa.
Fysiikan vuoden tapahtumia.
Juhlavuoden avajaiskonferenssi Physics for Tomorrow pidettiin UNESCOn päämajassa Pariisissa 13.–15. tammikuuta. Konferenssin puhujat olivat pitkälti nobelisteja ja muutoin kansainvälisesti tunnustettuja fyysikoita. Konferenssiin osallistui UNESCOn tuella noin 500 nuorta fysiikan opiskelijaa yli 80 maasta.
Toinen keskeinen juhlavuoden konferenssi, World Conference on Physics and Sustainable Development, järjestettiin Durbanissa, Etelä-Afrikassa 31. lokakuuta – 2. marraskuuta 2005.
Kansainvälistä fysiikan vuotta juhlittiin ympäri maailman, myös Suomessa, järjestämällä erilaisia tapahtumia, pitämällä konferensseja ja julkaisemalla aiheeseen liittyviä kirjoja, lehtiä ja artikkeleita. San Marino juhlisti vuotta painamalla kahden euron juhlakolikon.