Henn Käämbre: Mis on füüsika

Henn Käämbre

Füüsika on see, millega tegeleb end füüsikuteks pidav inimrühm. Jay S. Huebner

Kui miski on roheline või vingerdab, siis käib see bioloogiasse; kui haiseb, siis on tegu keemiaga; ja kui ei funksi, siis füüsikaga.

Arvan, et füüsika on lõpmatu. Ärge üritagegi teda ammendada ühe põlvkonna või ühe eluea vältel. Isidor Isaac Rabi

Kõige hiilgavamad avastused teoreetilises füüsikas ei ole uued seadused, vaid seaduste avastamisviisid. Michael Roberts, E.R.Thomas

Peaasi: tühjus ei ole üldsegi tühi. Seal toimub kõige vingem füüsika. John A. Wheeler

... nüüdisfüüsikas on tendents lahutada kogu materiaalne maailm laineteks, ükspäinis laineteks, mida on kahte sorti: pudelisse aetud lained, mida me kutsume aineks, ja pudeldamata lained, mida me kutsume kiirguseks või valguseks.

� Sententsid C.C. Gaitheri ja A.E. Cavazos-Gaitheri raamatust �Physically speaking�, Bristol & Philadelphia, 1997 (üksikasjalikumalt vt nt http://en.wikipedia.org/wiki/Physics;
Физический энциклопедический словарь, Москва, 1983)

Füüsika (< kr ή φυσική, physikē � �looduseuurimine�; ka φύσις , physis, "loodus" ja φυσικός, physikós, "looduslik"), on põhilisim loodusteadus, mis käsitleb kõikide mateeria vormide liikumise, vastastikuste seoste ja muundumiste kõige üldisemaid ja sügavamaid seaduspärasusi. Antiikajal tähistas sõna �füüsika� kogu tolleaegset loodusteadust (loodusfilosoofiat). Nüüdisfüüsika hakkas võrsuma renessansiajal, 17. � 18. sajandil (Galilei, Newton, Huyghens).

Käsitlusobjektide järgi jaguneb füüsika laias laastus mikro- ja makrofüüsikaks. Mikrofüüsika (õigemini nanofüüsika) tegeleb nanomeetriliste objektidega � elementaarosakeste, aatomituumade, aatomite ja molekulidega, makrofüüsika � makroskoopiliste kehadega, mis on uurija/inimesega lähedast mõõtu ja silmaga nähtavad. Mikrofüüsika on olemuselt kvantfüüsika. Kvantfüüsikale on iseloomulik tema objektide pidetus, diskreetsus (nt aatomi energiatasemed) ning dualism (kahetisus): nähtuste mõned aspektid kirjelduvad adekvaatsemalt osakestepildis, teised jälle lainepildis. Mõlemad aspektid täiendavad teineteist (täiendusprintsiip). Kvantfüüsika tekkis 19./20. sajandi vahetusel, jõudis õitsengule 20. sajandil (Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg). Nanoobjektide loomuse tõttu saab kvantfüüsika opereerida üksnes protsesside/nähtuste tõenäosustega. Makrofüüsikat klassifitseeritakse vahel kui klassikalist füüsikat. Füüsikalise tunnetuse arenedes on süüvitud makronähtuste mikroolemuse mõistmisse: optilised nähtused taanduvad elektrodünaamikale, soojusnähtused molekulide kaootilisele liikumisele jne.

Vaadeldavate objektide järgi hargneb füüsika paljudeks alamharudeks: elementaarosakete-, tuuma-, aatomi- ja molekulifüüsika, tahkiste, vedelike ja gaaside füüsika, plasmafüüsika jne. Käsitletavate ilmingute järgi liigitub ta omakorda sellisteks distsipliinideks nagu mehaanika, elektrodünaamika, termodünaamika, optika, akustika jne.

Uurimisvahendeilt/viisidelt jaguneb füüsika eksperimentaalfüüsikaks ja teoreetiliseks füüsikaks. Esimene taotleb oma eesmärke katsete, teine matemaatiliste arvutuste kaudu. Mõlemad arenevad käsikäes ja kontrollivad vastastikku teineteise tulemuste pädevust. Teooria ennustab ka uusi nähtusi. Füüsikateooria stimuleerib matemaatika arengut, püstitades uusi ülesandeid, millele otsitakse uudseid lahendusviise. Niisiis on füüsika täppisteadusena lähisuhteis matemaatikaga. Eraldi distsipliinina käsitatakse matemaatilist füüsikat, mille peamiseks aparaadiks on osatuletistega kõrgemat järku diferentsiaalvõrrandid. Olulist rakendust leiab füüsikas rühmateooria ning maatriksarvutus. Suuresti on kannustanud füüsika arengut elektronarvutite tulek, võimaldades: kompuuterkatseid, protsesside modelleerimist ning simuleerimist (pahamaiguline sõna, kuid paremat esialgu pole).

Eriline tähtsus on füüsikas jäävusseadustel. Mistahes isoleeritud süsteemides on jäävad energia (ja temaga ekvivalentne mass), impulss, impulssmoment, elektrilaeng. Teatavais süsteemides on jäävad veel rida teisi suurusi. Jäävusseadused on juhtniidiks, kui pole teada nähtuse täpne dünaamiline seaduspärasus, ja on abiks viimase leidmisel. Jäävusseadused on tihedalt seotud füüsikaliste süsteemide või ka aegruumi sümmeetriaga; nt energia/massi jäävus tuletub aja homogeensusest (füüsikaseaduste sõltumatus aja nullpunkti valikust).

Oluline koht on füüsikas võnkumiste ja lainete füüsikal, eriti siiretena elektromagnetismi (elektromagnetvõnkumised, sh valgus ja raadiolained) ning kvantfüüsikasse, kus mikrosüsteemide (aatomite, molekulide) omadused selgitatakse aatomite elektronkatteis kujunevate leiutõenäosuse seisulainete (e. leiulainete) konfiguratsioonide kaudu.. Nüüdisaegne elementaarosakeste füüsika rakendab lainekujutlusi stringiteoorias (vt nt http://superstringtheory.com/)

Füüsika on lähisuhteis keemiaga. Nüüdiskeemia tõlgendub suuresti aatomite elektronkatete füüsika kaudu. On kujunenud siirdealad: füüsikaline keemia, keemiline füüsika. Oluliseks toeks keemiale on füüsikaline meetod � ainete spektraalanalüüs. Sellest on võrsunud terve teadusharu � spektroskoopia, selle mitmekesistes variatsioonides (optiline kiirgus- ja neeldumisspektroskoopia, elektronspektroskoopia jne). Spektroskoopia on hindamatu vahend ainete ehituse ja neis toimuvate nähtuste selgitamiseks.

Kuna paljud teised teadused rakendavad oma uuringuis füüsikalisi meetodeid ja nähtuste füüsikalisi seletusi, on kujunenud siirdealad: biofüüsika, geofüüsika, astrofüüsika, meditsiinifüüsika. Siirdealad on andnud märkimisväärseid tulemusi, nagu on tihti andekad segaverelised lapsedki.

Füüsika on tehnika, inseneeria alus (rakendusfüüsika). Teiselt poolt annab tehnika füüsikale järjest uusi uurimisriistu. Ei tohiks unustada sedagi, et füüsikale � üle tehnika � võlgneme ka enamiku olmemugavustest, elektrivalguse ja -kütte, elektripliidid, raadio ja televisiooni, kaugside, mobiiltelefonid. Kuid teisalt � kui tõesti peaksid realiseeruma kõige mustemad stsenaariumid, siis �võlgneme� füüsikale ju ka tuumapommid, tuumatalve, tuumajaamade katastroofidki. Kuid mõelgem veel: ka tuli põhjustab tohutuid materiaalseid ja paraku ka inimkaotusi. Vaevalt aga nõustuks tänapäeval keegi tagasi pöörduma koopainimese eelsesse, korilusajastusse ning tule kasutamisest loobuma. Tuumaenergia raevukad vastased (�rohelised�) pole paraku suutnud pakkuda ka võrdväärset alternatiivi vältimatult ähvardava energiakriisi ületamiseks. Tuuleenergia, päikeskiirguse energia fotoelementide kaudu jm võivad küll kriisi leevendada, kuid vaevalt seda ületada. Lootus on termotuumaenergeetikal, kuid kavandatavate tegusate tehniliste suurrakendusteni läheb ilmselt veel palju aega.

Füüsikaga tegelemisel ja tema õppimisel on suur heuristiline väärtus: ta harjutab leidma analoogiaid erinevate loodusilmingute vahel, tegema üldistusi, selgitama seaduspärasusi. Nii arendab ta mõtlemisvõimet. Seepärast ongi füüsikud tihtipeale edukad ka muudel elualadel: ühiskonnategelastena, kirjanikena jne. (Heuristika, < kr heuriskō �leian�, �avastamiskunst�, teoreetilise uurimistöö loogiliste võtete ja metoodiliste juhiste kogum.)

Eestis on füüsika uurimis/arendusasutusteks TÜ Füüsika Instituut Tartus ja Bioloogilise ja Keemilise Füüsika Instituut Tallinnas; seda viljeldakse ka Tallinna Tehnikaülikoolis, Tartu ja Tallinna ülikoolide vastavates osakondades ning vähemal määral teisteski ülikoolides.