Füüsika

See artikkel räägib teadusest; õppeaine kohta vaata Füüsika (õppeaine); Aristotelese teose kohta vaata Füüsika (Aristoteles); teiste tähenduste kohta vaata Füüsika (täpsustus).

Füüsikud uurivad aine ja jõudude vastasmõju. Füüsika on täppisteadus, sest nii füüsikaline katse kui ka teooria rajanevad matemaatikal. Füüsika on üks tehnika alusteadusi ja kasutab ise tehnika saavutusi.

Antiikajal võidi nimetada füüsikaks kogu loodusteadust (vanakreeka sõna physis tähendab loodust), kuid tänapäevaselt füüsikana mõistetavaks iseseisvaks teaduseks arenes see alles 16.–17. sajandil. Tähtis ajajärk füüsika arengus oli 19. sajandi lõpp kuni 20. sajandi algus, sest siis pandi alus kvantteooriale ja relatiivsusteooriale – tänapäeva füüsikalise maailmapildi alustele.

Füüsika harude sekka kuuluvad näiteks mehaanika, termodünaamika, elektrodünaamika, optika, aatomifüüsika, tahkisefüüsika, tuumafüüsika, elementaarosakeste füüsika ja üldrelatiivsusteooria.

Füüsika ja teiste teaduste piirialadele on tekkinud teiste hulgas astrofüüsika, geofüüsika, meditsiinifüüsika, agrofüüsika, biofüüsika ja keemiline füüsika. Füüsika on teiste loodusteadustega väga tihedalt seotud ja paljudel juhtudel on ühene klassifitseerimine keeruline. Näiteks on füüsika osalt lähedane keemiaga, mis uurib molekule ja keemilisi ühendeid, mida molekulid suurtes kogustes esinedes moodustavad. Keemia toetub paljudele füüsika harudele, sealhulgas kvantmehaanikale, termodünaamikale ja elektromagnetismile, kuid samas on keemias käsitletavad loodusnähtused siiski piisavalt mitmekesised ja keerukad, et mitte lugeda keemiat füüsika haruks. Keemia ja füüsika piiril asuvat teadust nimetatakse keemiliseks füüsikaks.

Põhjaliku eestikeelse ülevaate füüsika ajaloost andis Ivar Piir oma 2013. aastal ilmunud õpikus "Füüsika ajalugu". Raamat on kättesaadav ka elektroonilisel kujul.

Ilmselt on juba aegade algusest saati püütud luua ümbritseva maailma käitumist kirjeldavaid ja ennustavaid mõttemudeleid, näiteks kehade kukkumise, materjalide omaduste, Maa kuju ja taevakehade, eriti Päikese ja Kuu käitumise kohta. Teooriaid sõnastati enamasti filosoofilises vormis ning neid ei kontrollitud katseliselt nii nagu tänapäeval. Antiikajal paistis looduse füüsikalise kirjeldajana silma Archimedes, kes avastas mehaanikas ja hüdrostaatikas kvantitatiivseid seadusi, mis leiavad kasutust ka tänapäeval.

17. sajandi alguses sõnastas Galileo Galilei inertsiseaduse. Aastal 1687 avaldas Isaac Newton raamatu "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" ("Natuurfilosoofia matemaatilised printsiibid"), kus ta esitas kaks mastaapset teooriat: Newtoni seadused, millest sai alguse klassikaline mehaanika, ja gravitatsiooniseaduse, mis kirjeldab gravitatsiooni, üht fundamentaalsetest jõududest. Klassikalist mehaanikat täiustasid Joseph-Louis Lagrange, William Rowan Hamilton ja teised. Gravitatsiooniseadusest sai alguse astrofüüsika, mis kirjeldab astronoomianähtusi füüsikateooriate alusel.

Eesti füüsika ajaloos on suur roll Tartu Ülikoolil, mis on tänapäevani Eesti üks tähtsamaid loodusteaduste uurimiskeskusi. Füüsika ajaloost Tartu Ülikoolis on esitanud põgusa ülevaate Ivar Piir Tartu Ülikooli füüsika instituudi kodulehel. Kuulsate Tartu Ülikooliga seotud olnud füüsikute hulgas on näiteks Georg Friedrich Parrot, Jean Jacques Friedrich Wilhelm Parrot, Arthur von Oettingen, Heinrich Emil Lenz, Moritz Herman Jacobi, Boriss Golitsõn ja Ernst Öpik.

Kuigi füüsikas tegeletakse paljude loodusnähtuste kirjeldamisega, on teatud kesksed teooriad füüsikute hulgas laias kasutuses. Nende teooriate kehtivust kinnitavad lugematud katsed, need leiavad laialdast kasutust keerukamate teemade uurimisel ja füüsikud peavad neid hästi tundma sõltumata oma kitsamast erialast. Nende kesksete teooriate hulka kuuluvad klassikaline mehaanika, kvantmehaanika, termodünaamika ja statistiline mehaanika, elektromagnetism ja erirelatiivsusteooria.

Klassikalise mehaanika abil on võimalik kehade liikumist täpselt kirjeldada, kui vaadeldavate kehade mõõtmed on kordades suuremad aatomite suurustest ja kui vaadeldav keha liigub kordades aeglasemalt valguse kiirusest. Vaatamata sõnale "klassikaline" uuritakse neid teooriad ka tänapäeval. Märkimisväärne lisandus klassikalisele mehaanikale oli kaoseteooria (mittelineaarne dünaamika), mille alused sõnastati alles 20. sajandil ehk kolm sajandit pärast seda, kui Isaac Newton (1642–1727) oli kirja pannud klassikalise mehaanika alused.

Klassikaline füüsika

Klassikaline füüsika sisaldab füüsika traditsioonilisi harusid ja teemasid, mis olid tuntud ja välja arenenud juba enne 20. sajandi algust: klassikaline mehaanika, akustika, optika, termodünaamika ja elektromagnetism. Klassikaline mehaanika käsitleb liikumises olevaid kehasid ja kehasid, millele mõjuvad jõud. Klassikalise mehaanika võib liigitada staatikaks (uurib jõudude mõju kiirenduseta liikuvatele kehale või kehadele), kinemaatikaks (uurib liikumist, jättes kõrvale liikumise põhjused) ja dünaamikaks (uurib liikumist ja liikumist mõjutavaid jõude). Mehaanika liigid uuritavate kehade omadustest on tahkisemehaanika ja vooliste mehaanika, mis kokku on tuntud pideva keskkonna mehaanikana. Tahkisemehaanika hõlmab tugevusõpetust, elastsus- ja plastsusteooriat. Vooliste mehaanika harud on hüdrostaatika, hüdrodünaamika, aerodünaamika ja pneumaatika. Akustika uurib helide teket, levimist ja tajumist (vastuvõtmist). Olulised kaasaegsed akustika harud on teiste hulgas ultraheli (helid, mille sagedus ületab keskmise inimese kuuldeläve), bioakustika (uurib loomade helide tekitamist, taju ja kasutamist) ja elektroakustika (uurib kuuldavate helide mõõtmist, muutmist ja tekitamist elektroonika abil). Optika, mis uurib valgust, ei piirdu vaid inimesele nähtava valguse uurimisega ja uurib ka infrapunakiirgust ja ultraviolettkiirgust, mis mõlemad käituvad nähtava valgusega sarnaselt (esineb samuti peegeldumine, murdumine, interferents, difraktsioon, dispersioon ja polarisatsioon). Soojus on energia vorm, mis tekib aineosakeste siseenergiast ning termodünaamika uurib soojuse ja teist liiki energia vahelisi seoseid. Elektrit ja magnetismi hakati uurima ühe füüsika haruna 19. sajandil, kui avastati nende fundamentaalne seos: elektrivool tekitab magnetvälja ja muutuv magnetväli elektrivälja. Elektrostaatika uurib paigalseisvaid elektrilaenguid, elektrodünaamika liikuvaid laenguid ja magnetostaatika paigalseisvaid magnetilisi poolusi.

Kaasaegne füüsika

 

Üldiselt võib klassikaliseks füüsikaks lugeda füüsikat, mis käsitleb ainet ja energiat inimmõõtmetele lähedastel suurustel, ja kaasaegseks sellist füüsikat, mis käsitleb aine ja energia käitumist äärmuslikes tingimustes ehk väga väikestel või äärmiselt suurtel mõõtmetel. Näiteks aatomifüüsika ja tuumafüüsika uurivad ainet ja tema käitumist väikseimatel mõõtmetel, millel keemilisi elemente saab tuvastada. Osakestefüüsika tegeleb viimastest veel väiksematel mõõtmetel ehk aine veel elementaarsemate osakestega. Osakestefüüsikat tuntakse ka kõrge energia füüsikana ja seda suurte energiate tõttu, mida on vaja osakestekiirendites, et antud fundamentaalosakesi tekitada ja uurida. Osakestefüüsikas vaadeldavate ruumimõõtmete puhul ei kehti paljud tavapärased arusaamad ajast, ruumist, ainest ja energiast.

Tänapäevase füüsika kaks peamist teooriat esitavad klassikalisest füüsikast erinevaid teooriaid ruumist, ajast ja ainest. Klassikalises mehaanikas käsitletakse loodust pidevana. Kvantfüüsika uurib mittepidevaid (diskreetseid) nähtusi aatomite ja aatomitest väiksematel mõõtmetel, kus nähtuste kirjeldused tulenevad aine üksteist täiendavate osakeste või lainetena esinemisest. Relatiivsusteooria käsitleb nähtusi, mis leiavad aset vaatleja suhtes liikuvas taustsüsteemis. Erirelatiivsusteooria käsitleb liikumist gravitatsioonivälja olemasolu arvestamata ja üldrelatiivsusteooria liikumist gravitatsioonivälja olemasolu tõttu. Kvantfüüsika teooria ja relatiivsusteooria leiavad rakendust kõikides kaasaegse füüsika valdkondades.

Erinevused klassikalise ja kaasaegse füüsika vahel

 

Füüsikas üritatakse leida kõikjal kehtivaid üldisi loodusseadusi. Samas tasub vastavalt kirjeldatava nähtuse omadustele eelistada ühtesid füüsikateooriaid teistele. Üldiselt kirjeldavad klassikalise mehaanika teooriad piisava täpsusega nähtusi, millele iseloomulikud mõõtmed on oluliselt suuremad aatomite mõõtmetest ja mille liikumiskiirus on valguse kiirusest oluliselt väiksem. Kui antud tingimused ei ole täidetud, ei võimalda klassikalise mehaanika teooriad vastavaid nähtusi enam täpselt kirjeldada. Albert Einstein töötas välja erirelatiivsusteooria, mis asendas eraldiseisva absoluutse aja ja ruumi idee ühtse aegruumiga, mille abil on võimalik täpselt kirjeldada nähtusi, mille puhul toimub liikumine valguse kiiruse lähedastel kiirustel. Max Planck ja Erwin Schrödinger koos teiste füüsikutega panid kirja kvantmehaanika alused, mis oma tõenäosusliku osakeste ja osakeste vastasmõjude mudelite läbi tegi võimalikuks nanomõõtmetes toimuvate nähtuste kirjeldamise. Hiljem ühendati kvantväljateoorias kvantmehaanika erirelatiivsusteooriaga. Dünaamilist ja kõverustega aegruumi võimaldab üldrelatiivsusteooria, mis lubab hea täpsusega kirjeldada väga suuremõõtmeliste ja suurte massidega süsteemide (universumi) ehitust. Üldrelatiivsusteooriat ei ole siiani suudetud ühendada teiste alusteooriatega ja välja arendamisel on mitmeid kvantgravitatsiooni kirjeldavaid konkureerivaid teooriaid.

 

Looduses leiduva korrapära kirjeldamise sobivaimaks keeleks on oma kompaktsuse ja täpsuse tõttu matemaatika. Seda ideed märkisid ja soosisid eri kujul juba Pythagoras, Platon, Galileo Galilei, Newton jt.

Füüsika kasutab matemaatikat vaatluste (katsetulemuste) organiseerimiseks ja tõlgendamiseks. Katsetulemustest tuletatakse täpsed või lähendatud seosed ehk kvantitatiivsed seosed, mis võimaldavad koostada katseliselt kontrollitavaid uusi ennustusi. Füüsikakatsete tulemused on enamasti mõõtühiku ja mõõtevea hinnanguga numbrilised andmed. Seejuures on matemaatikal põhinevad tehnoloogiad nagu arvutusteadus teinud arvutuslikust füüsikast jõudsalt areneva teadusvaldkonna.

Füüsika kirjeldab otseselt füüsilist (materiaalset) maailma, kasutades vahendina matemaatikat, matemaatika aga otseselt füüsilist maailma ei kirjelda, vaid uurib matemaatilisi objekte ja nendevahelisi seoseid. Füüsika teooriad peavad olema vaatluste ja katsete abil kontrollitavad, matemaatika tulemused tõestatakse matemaatilise loogika abil, kasutamata füüsikalist vaatlust. Matemaatika ja füüsika on oma aine ja meetodite poolest erinevad ja neid on üldiselt võimalik eristada. Näiteks matemaatiline füüsika tegeleb füüsikas kasutatavate matemaatiliste mudelitega, uurides matemaatilisi objekte puhtmatemaatiliste meetoditega, mistõttu on see osa matemaatikast.

Puhas füüsika kuulub alusuuringute (alusteaduste) hulka. Füüsikat nimetatakse ka peamiseks alusteaduseks, sest muud loodusteadused, nagu keemia, astronoomia, geoloogia ja bioloogia, toetuvad oluliselt füüsika teooriatele.

Rakendusfüüsika on mõiste, mida kasutatakse uurimistöö kohta füüsikas, millel on selge rakendus. Üldistades võib öelda, et erinevalt insenerist ei proovi rakendusfüüsik luua midagi, mis lahendab mingeid konkreetseid probleeme, vaid teeb füüsikas uurimistööd, et luua probleeme lahendavaid uusi tehnoloogiaid. Sarnaselt rakendusmatemaatikaga kasutavad rakendusfüüsikud füüsikat enda teadusuuringutes. Näiteks on kiirendite füüsika üks eesmärke ehitada paremaid osakeste loendureid uurimistöö jaoks teoreetilises füüsikas.

Füüsika teooriaid kasutavad laialdaselt insenerid näiteks sildade ja paljude muude ehitiste projekteerimisel, kus rakendatakse staatikal põhinevaid teooriaid. Tänu akustika teooriale ja oskusele neid teooriaid rakendada projekteerivad arhitektuuriakustikud hea akustikaga kontserdisaale. Füüsika teooriate põhjal on võimalik reaalsust järele aimata ja luua näiteks tegelikkusele lähedasemaid lennusimulaatoreid, arvutimänge ja filme.

• Nobeli füüsikaauhind
• Albert Einsteini medal
• Max Plancki medal
• Diraci medal
• Lorentzi medal
• Hughesi medal
• Rumfordi medal
• Matteucci medal

• Teoreetiline füüsika, eksperimentaalfüüsika
• Rakendusfüüsika, tehniline füüsika
• Tuumafüüsika, osakestefüüsika, mikrofüüsika, kvantfüüsika
• Astrofüüsika, astronoomia, astromeetria, kosmoloogia, makrofüüsika, megafüüsika, planetoloogia, plasmafüüsika
• Mehaanika, dünaamika
• Optika, fotoonika, spektroskoopia
• Keemiline füüsika, füüsikaline keemia
• Biofüüsika, meditsiinifüüsika

• Füüsika mõistete loend
• Füüsikaliste suuruste loend
• Füüsikute loend
• Elementaarosakeste loend
• Ameerika Füüsikaselts