Fysiikka on kiehtova ala, sillä se tutkii ainetta, energiaa ja perustavanlaatuisia luonnon ilmiöitä eli toisin sanoen kaikkea sitä, mistä maailma koostuu ja kuinka maailma toimii. Tieteenalana se on laaja ja käsittää suuren määrän eri tutkimusaloja mekaniikasta optiikkaan ja sähköopista ydinfysiikkaan. Mielenkiintoista tutkittavaa siis riittää!
Kun tutustuu fysiikkaan, tulee vastaan suuri joukko erilaisia tärkeitä fysiikan termejä. Jo pelkästään yhden tutkimusalan kaikkien käsitteiden luetteloiminen olisi aikamoinen tehtävä! On kuitenkin muutamia fysiikan peruskäsitteitä, jotka kaikkien fysiikka opiskelevien ja siitä kiinnostuneiden kannattaa ottaa haltuun.
Tämänkertaisessa artikkelissamme teemme lyhyen tutkimusmatkan fysiikan aivan keskeisimpiin käsitteisiin. Tutustumme muun muassa perussuureisiin ja -yksiköihin, perusvuorovaikutuksiin ja fysiikan lakeihin. Tervetuloa mukaan!
Ota suureet haltuun
Termillä suure tarkoitetaan ominaisuutta, jota voidaan mitata: kappale voi esimerkiksi olla jonkin pituinen tai sillä voi olla tietty lämpötila. Jotta näitä ominaisuuksia voidaan mitata ja tuloksia verrata toisiinsa, on sitä varten oltava olemassa yhteisesti sovittu yksikköjärjestelmä.
Tällainen järjestelmä on SI-järjestelmä. Seuraavassa taulukossa näet perussuureet sekä tämän järjestelmän mukaiset perusyksiköt, joilla suureita kuvataan:
| Suure | Yksikkö | Tunnus |
| pituus | metri | m |
| massa | kilogramma | kg |
| aika | sekunti | s |
| sähkövirta | ampeeri | A |
| lämpötila | kelvin | K |
| ainemäärä | mooli | mol |
| valovoima | kandela | cd |
Kuten taulukosta voi huomata, on osa perusyksiköistä tuttuja aivan arkipäiväisestäkin elämästä. Merkittävänä erona arkipäivän kielenkäyttöön voidaan mainita lämpötilan yksikkö kelvin – normaalistihan olemme tottuneet puhumaan celciusasteista. Kelvin-asteikko lähtee nollasta, joka on absoluuttinen nollapiste eli celciusasteissa −273,15. Tämä tarkoittaa sitä, että 0 celciusta on 273,15 kelviniä!
Perussuureiden avulla voidaan määritellä johdannaissuureita. Niitä ovat esimerkiksi pinta-ala, nopeus, paine ja jännite. Nämä esimerkit ovat varmasti tuttuja, mutta johdannaissuureita on monia muitakin, osa ehkä hieman harvemmin maallikoille vastaan tulevia – ovatko kulmanopeus, absorboitunut annos tai konduktanssi jo tuttuja?
Mistä maailmankaikkeus koostuu?
Fysiikan mielenkiinnon kohteita ovat niin äkkiseltään käsittämättömän pieneltä tuntuvat hiukkaset kuin käsittämättömän suuretkin kokonaisuudet ympäröivässä maailmankaikkeudessa. Käsite maailmankaikkeus on helppoa määritellä: se tarkoittaa kaikkea, mitä on olemassa. Aivan yhtä helppoa ei kuitenkaan ole selittää, mistä kaikesta tämä kaikkeus koostuu.
Nykytiedon valossa aivan pienimpiä hiukkasia ovat kvarkit eli alkeishiukkaset, joista protonit ja neutronit koostuvat, jotka puolestaan muodostavat atomiytimiä. Atomeista taas muodostuu molekyylejä, joista voi jälleen muodostua suurempia kokonaisuuksia.
Suurempaan kokoluokkaan siirryttäessä voidaan puhua taivaankappaleista, joita ovat kotoisen maapallomme lisäksi esimerkiksi kuut, tähdet, asteroidit ja mustat aukot. Kappaleet voivat muodostaa järjestelmiä, kuten oma aurinkokuntamme, jossa kahdeksan planeettaa sekä joukko kääpiöplaneettoja, kuita ja muita pienempiä kappaleita kiertää tähteä nimeltä Aurinko.
Tähdet sekä muu aine muodostavat galakseja – yhdessä galaksissa voi olla miljardeja ja taas miljardeja tähtiä. Aurinkokunta, johon Maa kuuluu, sijaitsee Linnunrata-nimisessä galaksissa. Usean galaksin ryhmää voidaan kutsua galaksiryhmäksi tai galaksijoukoksi. Meidän Linnunratamme kuuluu Paikallinen ryhmä -nimiseen galaksiryhmään.
Galaksijoukkoakin suurempi kokonaisuus on superjoukko, jossa voi olla useita galaksijoukkoja. Paikallinen ryhmä on osa Laniakea-superjoukkoa. Tässä vaiheessa esimerkiksi tähän kokonaisuuteen kuuluvien tähtien määrä alkaa olla jo niin järjettömän suuri, että sitä on vaikeaa käsittää! Fysiikka on kiehtovaa, eikö vain?
Maailmankaikkeuden suuruusluokasta kertoo sekin, että etäisyyksiä mitataan valovuosissa, eli matkassa jonka valo ehtii kulkea vuodessa. Havaittavissa olevan maailmankaikkeuden halkaisijaksi on arvioitu yli 90 miljardia valovuotta, eikä siinä vielä kaikki, sillä maailmankaikkeus laajenee jatkuvasti!
Laajeneminen on seuraus koko tuntemamme kaikkeuden alkuhetkestä, joka tunnetaan nimellä alkuräjähdys. Tämän perustavanlaatuisen kosmologian teorian mukaan kaikki tuntemamme sai alkunsa erittäin kuumasta ja tiheästä pisteestä, joka räjähti, minkä jälkeen maailmankaikkeus on jatkuvasti laajentunut.
Fysiikan perusvuorovaikutukset
Fysiikan opiskelijoille tulevat varsin tutuiksi myös perusvuorovaikutukset, joilla tarkoitetaan luonnossa esiintyviä vuorovaikutuksia, joista ei voi erottaa pienempiä vuorovaikutuksia. Tällaisia perustavanlaatuisia voimia on neljä.
Yksi niistä on painovoima eli gravitaatio. Kyseessä on siis luonnonvoima, joka pitää meidät ihmiset tiukasti maassa kiinni ja jonka vuoksi omena väitetysti putosi Isaac Newtonin päähän puutarhassa. Newtonin painovoimalain mukaan kappaleet vetävät toisiaan puoleensa, kun taas Albert Einsteinin kuuluisan suhteellisuusteorian mukaan gravitaatiossa on kyse aika-avaruuden kaareutumisesta.
Toinen perusvuorovaikutus on sähkömagneettinen vuorovaikutus, joka kattaa sähköiset ja magneettiset ominaisuudet. Tämä vuorovaikutus muun muassa pitää atomin ja sitä kautta aineen ylipäätään kasassa: atomeista voi muodostua molekyylejä, joista taas suurempia kappaleita.
Lisäksi on olemassa heikko vuorovaikutus, joka puolestaan ilmenee kvarkkien eli alkeishiukkasten välillä. Sen ansiosta hiukkanen voi muuttua toiseksi hiukkaseksi. Heikon vuorovaikutuksen seurauksiin kuuluu myös beetahajoaminen.
Viimeisimpänä mutta ei todellakaan vähäisimpänä on vahva vuorovaikutus, joka on nimensä mukaisesti vahvin perusvuorovaikutuksista. Se pitää atomien ytimet koossa ja sen ansiosta kvarkit muodostuvat protoneiksi ja neutroneiksi.
Fysiikan lait määräävät
Fysiikan lait kuvaavat sitä, kuinka erilaiset perustavanlaatuiset luonnonilmiöt tapahtuvat. Ne ovat siis vallalla olevia käsityksiä säännöistä, joiden mukaisesti maailmankaikkeus todellisuudessa toimii. Niistä käytetään joskus nimitystä luonnonlait.
Tunnettuja esimerkkejä ovat Newtonin lait, jotka koskevat kappaleiden liikettä. Näissä Isaac Newtonin mukaan nimetyissä laeissa esitellään seuraavat perusperiaatteet:
- Jatkuvuuden laki: kappale jatkaa suoraviivaista liikettä ellei siihen vaikuta jokin ulkopuolinen voima.
- Dynamiikan peruslaki: kuvaa miten kappaleeseen vaikuttava voima muuttaa liikettä.
- Voiman ja vastavoiman laki: kappaleet vaikuttavat toisiinsa yhtä suurilla mutta vastakkaissuuntaisilla voimilla.
Toinen erittäin tunnettu fysiikan laki on Arkhimedeen laki, jonka kreikkalaisen tiedemiehen Arkhimedeen kerrotaan keksineen – olet varmasti kuullut tarinan siitä, kun hän istuutui kylpyyn ja oivalluksestaan innostuneena juoksi Syrakusan kaduilla alasti. Arkhimedeen lain mukaan kun kappale upotetaan nesteeseen, kohdistaa neste kappaleesen ylös päin suuntautuvan voiman, joka on yhtä suuri kuin syrjäytetyn nesteen paino. Fysikaaliset ilmiöt voivat tulla tutuiksi yllättävissäkin paikoissa!
Kuuluisia myöskin ovat termodynamiikan pääsäännöt. Esimerkiksi ensimmäinen pääsääntö kertoo, että energiaa ei voi luoda tai hävittää, vain sen muotoa voidaan muuttaa. Kolmannen entropiaa käsittelevän säännön seuraus puolestaan on, että absoluuttista nollapistettä ei voi saavuttaa.
Säilymislait ovat fysiikan perustavanlaatuisia lakeja. Esimerkiksi energian säilymislaki määrittelee, että energian määrä säilyy, vaikka energia muuttuisikin muodosta toiseen – energia ei siis synny eikä se häviä. Massan säilymislaki toimii samalla periaatteella: ainetta ei synny eikä sitä häviä, se vain muuttaa muotoaan.
Millainen fysiikka on tieteenä?
Kuinka fysiikkaa voi kuvata tieteenä? Fysiikka on ensinnäkin luonnontiede eli nimensä mukaisesti ympäröivää luontoamme tutkiva tiede. Muita luonnontieteitä ovat esimerkiksi biologia ja kemia. Eri luonnontieteet ovat paikoitellen kiinnostuneita samoista ilmiöistä tai jonkin ilmiön tutkiminen voi vaatia eri tieteiden osaamista, joten niiden rajat voivat olla häilyviä. Hyvä esimerkki on biofysiikka, jossa tutkitaan elävää elämää fysiikan menetelmin.
Fysiikka on myöskin eksaktia tiedettä. Tämä puolestaan tarkoittaa, että tutkimuksessa on tarkoitus saada tarkkoja, mitattavissa olevia arvoja. Tärkeä periaate myöskin on, että koeasetelmien on oltava toistettavissa. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että muut tutkijat pystyvät tismalleen samanlaisissa olosuhteissa samoja menetelmiä käyttämällä saamaan samanlaisen tuloksen. Jos fysiikan oppiminen kiinnostaa, kannattaa panostaa myös matikan opiskeluun! Lisäksi voit osallistua fysiikan kurssit, jotka auttavat sinua ymmärtämään monimutkaisia ilmiöitä paremmin.
Kiinnostuitko fysiikasta? Inspiroivatko kuuluisat fyysikot sinua? Jos kaipaat neuvoja tai opastusta fysiikkaan tutustuessa, ota suunnaksi Superprof – se on alusta, joka yhdistää oppilaat ja fysiikan yksityisopettajat!
Piditkö tästä artikkelista? Jätä arvostelu!
Ladataan...
