Fysiikka (, fysis eli luonto) on ainetta, energiaa ja perusluonteisia luonnonlakeja tutkiva tiede. Fysiikka pyrkii löytämään luonnosta lainalaisuuksia, joita voidaan kuvata matemaattisesti ja koetella kokeellisesti.Fysiikka 1, Fysiikka luonnontieteenä s. 10 Fysiikka on luonnontiede, joka tutkii kaikkeutta käsitellen aineen, energian, avaruuden ja ajan käyttäytymistä, perusvuorovaikutuksia ja näiden muodostamia kokonaisuuksia. Tämän vuoksi fysiikkaa voidaan pitää perustavanlaatuisena tieteenä, johon muun muassa kemian, maatieteiden, biologian ja muiden luonnontieteiden ”ydintietämys” pohjautuu. Fysiikan tutkijoita nimitetään fyysikoiksi.
Kaikki luonnonlait kuuluvat fysiikan aihealueeseen. Fysiikan tutkimuskohteisiin kuuluvat painovoima, sähkömagnetismi, heikko vuorovaikutus ja vahva vuorovaikutus. Fysiikka on kokeellinen ja eksakti luonnontiede.Fysiikka 1, Fysiikka luonnontieteenä s. 11 Kokeellisuus eli empiirisyys tarkoittaa sitä, että luonnonilmiöitä koskevat havainnot ja mittaukset ovat kaiken fysikaalisen tiedon pohja. Fysikaalinen tieto on aina kokeellisesti koeteltua. Eksaktisuus merkitsee, että fysiikan tulokset pyritään ilmaisemaan matemaattisessa muodossa ilmiön havaittuja säännönmukaisuuksia esittävinä lakeina, joiden avulla voidaan tehdä ilmiötä koskevia kvantitatiivisia ennusteita. Fysiikkaa sovelletaan muiden muassa koneissa ja teollisuudessa. Fysiikan kaavoja ovat esimerkiksi dynamiikan peruslaki , paikan kaava ja matemaattisen heilurin kaava .
Fysiikan historia
Ajan hetkeä tai paikkaa, milloin ja missä fysiikka olisi syntynyt, on mahdotonta selvittää tai määrittää. Varhaisimmat löydökset fysiikan tutkimuksesta ajoittuvat vuosisataan 2400 eaa. ja Harappan sivilisaatioon, mistä on jäänyt merkkejä kymmenjärjestelmään pohjautuvasta mitta-asteikosta. Toisaalta on löydetty myös todisteita siitä, että neanderthalin ja cro-magnonin ihminen olisivat tehneet tähtitieteellisiä havaintoja jo 30 000 vuotta sitten.
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.Eurooppalaisen ihmisen aikakirja s. 25 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.Eurooppalaisen ihmisen aikakirja s. 98 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 pienoiskuva|pysty|Galileo Galilei Tieteen ja fysiikan kehitys pysähtyi varhaiskeskiaikana, mutta alkoi elpyä sydänkeskiajalta lähtien. Tällä välin tieteen eturintama oli siirtynyt islamilaiseen maailmaan. Arabeille Mekan suunnan selvittäminen ja rukousten ajankohtien laskeminen olivat tärkeitä tehtäviä, joihin tarvittiin matematiikkaa ja tähtitiedettä. Arabit käänsivät melkein kaiken kreikkalaisen tieteellisen kirjallisuuden arabiaksi 800- ja 900-luvuilla. Syynä oli kalifien tarve myötäillä persialaisten alamaisten kulttuuria, johon kuului ajatus zarathustran kadonneiden kirjoitusten kokoamisesta. Islamilaisen maailman panos fysiikkaan ei kuitenkaan tuonut merkittäviä läpimurtoja. 1100-luvulta alkaen eurooppalaiset alkoivat laajasti kääntää sekä arabialaista että kreikkalaista tieteellistä kirjallisuutta arabiasta ja kreikasta.
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.pienoiskuva|pysty|vasen|Sir Isaac Newton
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. Osa tuon ajan yleisesti kannatetuista teorioista, kuten eetterioppi, osoittautui kuitenkin virheellisiksi. Fyysikot uskoivat 1800-luvulla, että valo ja radioaallot etenivät kaikkialla läsnä olevassa eetteriksi nimetyssä näkymättömässä aineessa.Tiedeviisas kansa. Jukka Ruukki. Tiede-lehti 13/2022. Sivu 4
Moderni fysiikka pienoiskuva|pysty|Albert Einstein 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.Albert Einstein Elämäkerta s. 127 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. pienoiskuva|vasen|Marie Curie
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.