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.Kragh 2002, s. 32

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.Ihmisen ja ympäristön aikakirja, s. 34: ”-- Tuolloin oli yleinen tapa ottaa vieraista heimoista orjia. Heidät pantiin kaivamaan kanavia, jotta peltoalaa voitiin lisätä väestön elättämiseksi. Eufratin virtauksen hallitsemiseksi tarvittiin pengerryksiä, patoja, kanavia, salaojia, nostolaitteita, ja työvoimaa. Urukin maataloudesta tuli varsin monimutkainen järjestelmä johon kuului peltojenhoidon lisäksi ajan mittaaminen, sääennustukset--” Ihmisen ja ympäristön aikakirja, s. 35: ”Urukin papit kehittivät nuolenpääkirjoituksen noin 3200 eaa. tehokasta hallintoa ja valvontaa ei voitu hoitaa pelkästään suullisesti -- Kylvämistä ja sadonkorjuuta varten kehitettiin tarkka kalenteri--” 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 pienoiskuva|Induskulttuurin levinneisyys. Kartassa näkyvät Harappa ja Mojenjo-daro.

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 pienoiskuva|left|Persian valtakunta 490-luvulla eaa. Kuvassa näkyvät Babylonian ja Assyrian sijainnit.

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 left|180px|thumb|Platon ja Aristoteles Rafaelin maalaamassa freskossa.

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.

+Antiikin kreikan fyysikkoja |- !Nimi !! Elinaika |- |Thales || noin 636–546 eaa. |- | Anaksimandros || noin 609–546 eaa. |- | Herakleitos || 535–475 eaa. |- | Anaksagoras || noin 500–428 eaa. |- | Hippasos || noin 500 eaa. |- | Empedokles || 490–430 eaa. |- | Leukippos || 400 eaa. |- | Demokritos || noin 460–370 eaa. |- | Filolaos || noin 480–405 eaa. |- | Prodikos || noin 450–398 eaa. |- | Arkhytas || 428–347 eaa. |- | Platon || noin 427–347 eaa. |- | Aristoteles || 384–322 eaa. |- | Eudemos Rhodoslainen || 350–290 eaa. |- | Aristarkhos || 310–230 eaa. |- | Arkhimedes || noin 287–212 eaa. |- | Filon Bysanttilainen || 200 eaa.

Antiikissa tutkittiin samoja asioita kuin nykyäänkin: mitä aika on ja voiko tyhjästä syntyä jotakin olevaa? Antiikissa ajateltiin ajan olevan ikuista. Maailma nähtiin ikuisesti samanlaisena. Italialaisen Parmenides esitti, että ajan muutos on vain näennäistä. Herakleitos näki maailman toisin. Hänen mukaansa mikään ei voi olla pysyvää ja asiat ovat jatkuvassa muutoksessa. Tästä hän päätteli, että muutos on todellista ja pysyväisyys vain harhaa.