Sarja esittelee fysiikkaa sata vuotta suhteellisuusteorian keksimisen jälkeen. Kirjoittajat ovat Oulun yliopiston fysiikan laitoksen tutkijoita. Petri Mutka työskentelee Oulun yliopiston fysikaalisten tieteiden laitoksella teoreettisen fysiikan osastolla. Eero Hatunen on koulutustaustaltaan tähtitieteilijä Oulun yliopistosta.
Fysiikka on luonnontiede, joka pyrkii selvittämään, miten maailma on rakentunut ja millaisten luonnonlakien mukaan se toimii. Miksi juuri nyt vietetään fysiikan juhlavuotta?
Fysiikan alaan kuuluvia havaintoja on tehty eri kulttuureissa jo tuhansien vuosien ajan, kun ihmiset ovat esimerkiksi merkinneet muistiin taivaankappaleiden liikkeitä.
Merkittävän askeleen kohti nykyistä tilaansa fysiikka otti renessanssin aikaan, kun Galileo Galilei toi kokeellisuuden luonnontieteisiin. Kokeellinen fysiikka on havaintojen ja teorian välistä vuoropuhelua, jossa uudet havainnot ja koejärjestelyt muokkaavat teoriaa eteenpäin ja päinvastoin.
Ennen kokeellisuutta filosofinen pohdinta oli merkittävä luonnontieteiden teorianmuodostuksen keino.
Yllättäviä havaintoja
Galilein myötä alkanut klassinen fysiikka saavutti kehityksensä huipun 1800-luvun lopulla, kun silloisten fysiikan teorioiden katsottiin pystyvän vastaamaan kaikkiin fysiikan kysymyksiin. Ainoastaan muutaman yksityiskohdan ajateltiin olevan selvittämättä.
Luonnontieteet ovat kuitenkin aina sidoksissa teknologiseen osaamiseen, ja 1800-luvun lopulla tapahtunut nopea tekninen kehitys mahdollisti uudenlaisten havaintojen tekemisen.
Valon luonteeseen ja aineen rakenteen perusolemukseen liittyvät havainnot paljastivat, ettei klassisen fysiikan tietämyksen aukoissa ollut kyse yksityiskohdista, vaan tuolloisen fysiikan teorioiden perustavaa laatua olevasta keskinäisestä ristiriidasta. Kuva maailmasta ei ollutkaan valmis.
Fyysikot alkoivat kehittää teorioita, jotka pystyisivät selittämään uudet havainnot. Tässä työssä osoittautui etevimmäksi nuori patenttitoimistossa työskennellyt tuntematon fyysikko Albert Einstein.
Einsteinin ratkaisu
Einstein julkaisi vuonna 1905 - tasan sata vuotta sitten - viisi erillistä artikkelia, jotka ratkaisivat suuren osan uusiin havaintoihin liittyvistä ongelmista.
Julkaisuista tunnetuin on ajan ja paikan käsitteitä selittävä erikoinen suhteellisuusteoria, jonka Einstein myöhemmin laajensi yleiseksi suhteellisuusteoriaksi. Suhteellisuusteoria on yhä sovellusalueensa parasta tietämystä edustava fysiikan teoria.
Viiden käänteentekevän julkaisun jälkeen Einstein alkoi saada työtarjouksia yliopistoista ympäri maailmaa, ja hänen uransa fysiikan parissa jatkui nousujohteisesti. Vuosien kuluessa nerokkaasta tutkijasta tuli myös tiedejulkkis ja myöhemmin eräänlainen kulttuuri-ikoni: tiedemiehen stereotypia sekä älyn ja tiedon vertauskuva.
Nykyinen moderni fysiikka sai alkunsa Einsteinin töiden myötä. Modernin fysiikan kaksi perusteoriaa ovat suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka, jotka ovat fysiikan 1900-luvun suuret teoriat. Myös kvanttimekaniikan alku pohjautuu monelta osin Einsteinin vuoden 1905 julkaisuihin, ja tähän osaan Einsteinin työtä liittyy myös hänen vuonna 1921 saamansa Nobelin palkinto.
Huikeita näkymiä
Nykyään fysiikan parissa tekee työtä satoja tuhansia ihmisiä. Uusin tietämys, tutkijoiden maailmanlaajuinen yhteistyö ja moderni teknologia avaavat fyysikoille huikeita näkymiä siihen, mitä aine, energia ja avaruus ovat ja miten ne ovat rakentuneet.
Maailman valtiot rakentavat yhteistuumin yhä suurempia hiukkaskiihdyttimiä, joilla pystytään tutkimaan yhä pienempiä ja pienempiä oman maailmamme rakenneosasia. Fysiikan toisessa ääripäässä koko maailmankaikkeus on avautumassa tähtitieteilijöille ja kosmologeille uusien kaukoputkien ja muiden havaintolaitteiden myötä.
Kokonaisuutena fysiikka on tullut uudelleen 1800-luvun lopun mielenkiintoiseen tilanteeseen. Tiedetään hyvin, että myös modernin fysiikan perusteoriat, suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka, ovat keskenään ristiriidassa. Seuraaville Einsteinin kaltaisille neroille, jotka osaavat kyseenalaistaa oikeat asiat ja kysyä oikeat kysymykset, löytyy vielä paljon tekemistä.
Petri Mutka
Eero Hatunen