Klassisen fysiikan aikakausi

(~1400 - 1904)

Esiklassinen fysiikka (renessanssi)

Empirismin synty

Keskiajan loppuessa, renessanssin alkaessa, alettiin nähdä, että maailmaa pitäisi tutkia myös kokeellisesti - pelkkä filosofinen pohdinta ei riitä. Tätä empirismin filosofiaa ovat erityisesti kehittäneet Giordano Bruno ja Galileo Galilei. Galilei toteutti ajatuksen käytännössä ja muotoili monia fysiikan kehitykselle tärkeitä lakeja. Tähtitaivasta tarkkailemalla hän onnistui kumoamaan maakeskeisen järjestelmän - ainakin teoriassa, sillä hänet pakotettiin vaikenemaan. Tärkeitä tietoja keräsi myös Tyko Brahe, joka havainnoi tähtitaivasta ja näin keräsi havaintoja, joista Johannes Kepler muovasi lakinsa.

Empirismin synnylle ei varmaan vähäisin syy ollut ihmisen herääminen kollektion jäsenyydestä individualismiin ja sen luoma halu tarkistaa itse kaikki.

Tähtitiede

Nikolai Kopernikus (1473 - 1543) loi uuden maailmanjärjestyksen, jota Aristarkhos oli aikoinaan esittänyt. Hän esitti aurinkokeskeisen järjestelmän kirjassaan, joka julkaistiin juuri kirjoittajan kuoleman aikoihin. Tällä järjestelmällä oli monia hyviä puolia, kuten se, että se oli huomattavasti maakeskeistä yksinkertaisempi. Se kohtasi huomattavaa vastustusta katolisen kirkon taholta. (emt.)

Johannes Kepler (1571 - 1630) tutki Tyko Brahen (1546 -1601) kokoamia havaintoja Mars-planeetan liikkeistä. Näitä tietoja tutkimalla hän päätyi lopulta kolmeen hänen nimeään kantavaan lakiin, jotka olivat pohjana Newtonille tämän kehittäessä painovoimateoriaansa.

  1. Planeetan rata on ellipsi, jonka toisessa polttopisteessä sijaitsee Aurinko.
  2. Planeetan ja Auringon välinen jana pyyhkäisee yhtä pitkissä aikaväleissä yhtä suuret pinta-alat.
  3. Planeettojen kiertoaikojen neliöt suhtautuvat toisiinsa kuin niiden Auringosta laskettujen keskietäisyyksien kuutiot.

Galileo Galilei (1564 - 1642) vahvisti Kopernikuksen aurinkokuntamallin löytämällä muiden planeettojen kuita. Näin Maa ei ole ainoa, jolla on kiertolaisia ja sen erikoisasema väheni edelleen. (emt.)

Galilei mekaniikassa

Galilei tutki myös mekaniikkaa. Hän teki kokeita uuden empiristisen filosofiansa mukaisesti ja päätteli niistä seuraavat kolme lakia:

  1. Vapaa vaakasuora liike tapahtuu vakionopeudella ja suuntaa muuttamatta.
  2. Vapaasti putoava kappale kiihtyy tasaisesti.
  3. Kaikki kappaleet putoavat yhtä nopeasti.

Näillä laeilla oli suuri merkitys Newtonille tämän rakentaessa mekaniikkaansa.

Klassinen mekaniikka eli taivaallinen kellokoneisto

Sir Isaac Newton

Sir Isaac Newton kuoli vuonna 1726 83 vuoden iässä. Hän oli kuollessaan kuuluisa: hän sai valtiolliset hautajaiset ja hänelle kirjoitettiin mm. seuraavanlainen muistokirjoitus:

Nature and Nature's Laws lay hid by night;
God said, Let Newton be! And all was light. 1

Kaksikymmentä vuotta aiemmin hänet lyötiin ritariksi, jolloin hän oli toiminut professorina Cambridgessa ja myöhemmin Englannin parlamentin jäsenenä. Hän oli sikäli perfektionisti, ettei julkaissut mielellään, mikä maksoi hänelle mm. sen, että Leibnizia pidetään hänen ohellaan differentiaali- ja integraalilaskennan keksijänä; nykyään tiedämme Newtonin keksineen sen jo kymmenen vuotta ennen Leibnizia. Omien sanojensa mukaan Newton pelkäsi tietämättömien vastustusta.

Newton tunnetaan parhaiten perustavanlaatuisesta teoksestaan Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Newton 1972), Luonnonfilosofian matemaattiset perusteet, vuodelta 1687. Senkin julkaisua Newton lykkäsi, kunnes tunnettu tähtitieteilijä Halley kuvailtuaan hänelle erään painovoimaan liittyvän ongelman sai tietää Newtonin ratkaisseen sen ja suostutteli hänet julkaisemaan tuloksensa.

Halleyn ongelma oli vuosisadan pähkinä. Halley muutamine kollegoineen oli arvellut, että painovoima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Kukaan ei ollut onnistunut sitä todistamaan ennen Newtonia, joka sitten laskuissaan totesi tämän "käänteisen neliön voiman" tuottavan planeetan kiertoradaksi ellipsin - sen, minkä Keplerin havainnoistaan päättelemät lait meille kertovat.

Newton oli opiskellut Cambridgessa, jossa hän oli aluksi omasta tahdostaan "alaluokkalainen" - yliopisto-opiskelijat jaettiin tuolloin kahteen luokkaan, joista alemman jäsenet palvelivat ylemmän jäseniä maksaakseen asuntonsa. Newton oli tullut 18-vuotiaana opiskelijaksi.

Newtonin äiti otti Isaacin hoitaakseen tämän isovanhemmilta, kun tämä oli 10-vuotias. Isoäitinsä hoidossa pikku Isaac oli suurimman osan elämänsä ensimmäisestä kymmenestä vuodesta isänsä kuolemasta ja äitinsä uudesta avioliitosta alkaen. Isaac Newton oli syntynyt 25.12.1642. (Gettys, Keller ja Skove 1989, 116-117)

Newtonin mekaniikka

Newton jatkoi Principiassaan Galilein luomaa mekaniikkaa laskemalla sille matemaattisen pohjan, joka perustuu kolmelle aksioomalle, itsestäänselvästi todeksi oletetulle väitteelle:

  1. Jokainen kappale pysyy lepotilassa tai tasaisessa, suoraviivaisessa liikkeessä, jolleivat siihen vaikuttavat voimat pakota sitä muuttamaan tätä tilaansa. (Mekaniikan I peruslaki, ks. esim. Gettys, Keller ja Skove 1989, 82 tai Aalto ja Mustonen 1985, 55 tai Teerikorpi ja Valtonen 1990, 137.)
  2. Liikkeen muutos on suorassa suhteessa vaikuttavan voiman suuruuteen ja käänteisessä suhteessa voimavaikutuksen kohteen massaan, ja muutos tapahtuu sen suoran suuntaisesti, jolla voima vaikuttaa. (Mekaniikan II peruslaki, ks. esim. Gettys, Keller ja Skove 1989, 86 tai Aalto ja Mustonen 1985, 56 tai Teerikorpi ja Valtonen 1990, 137.)
  3. Jokaiseen voimavaikutukseen liittyy vastakkaissuuntainen, samansuuruinen vastavoimavaikutus, ts. kahden kappaleen vaikutukset toisiinsa suuntautuvat aina vastakkaisiin suuntiin. (Mekaniikan III peruslaki, ks. esim. Gettys, Keller ja Skove 1989, 86 tai Aalto ja Mustonen 1985, 58 tai Teerikorpi ja Valtonen 1990, 137.)

On muistettava, että Newtonin mekaniikassa tarkastellaan aluksi pistemäisten kappaleiden liikettä. Tarkkojen perustelujen jälkeen isomman kappaleen liikettä kuvataan eräissä tapauksissa - kuten pallomaisten kappaleiden kohdalla, minkä Newton itse todisti suurella vaivalla - sen massakeskipisteen liikkeenä, mikä tekee käytännön laskutoimitukset helpommiksi.

Ensimmäinen aksiooma - joka esiintyy jo Galileilla (Teerikorpi ja Valtonen 1990, 136) - on ristiriidassa välittömän kokemuksemme kanssa: jos annamme pallon vapaasti pyöriä tasaisella alustalla eteenpäin, havaitsemme, että se pysähtyy ennemmin tai myöhemmin, vaikkei siihen näytä mikään voima vaikuttavan. Selitys tälle hidastumiselle löytyy pallon ja alustan välisestä kitkasta, jonka vaikutus voidaan koeolosuhteissa poistaa (ks. Gettys, Keller ja Skove 1989, 83).

Kun kaikkia kolmea aksioomaa ja erityisesti toisen aksiooman matemaattista tulkintaa käytetään hyväksi, voidaan ratkaista suuri määrä mekaniikan probleemia. Niillä ei vielä kuitenkaan selvitä, jos halutaan tutkia taivaanmekaniikan ilmiöitä: lisäksi tarvitaan yleinen kuvaus painovoimalle, yleinen gravitaatiolaki. Newtonin yleisen gravitaatiolain johtaminen oli melko monivaiheinen operaatio (vrt. Gettys, Keller ja Skove 1989, 126 - 129).

Nämä neljä luonnonlakia, kolme mekaniikan peruslakia sekä yleinen painovoimalaki, antavat työkalut, joilla voimme ymmärtää kaikki mekaniikan ilmiöt. Näin ajateltiin vielä 1800- luvulla (Teerikorpi ja Valtonen 1990, 142). Erityisen menestyksekkäästi niitä sovellettiin aurinkokuntaamme, jolloin syntyi tähtitieteen haara taivaanmekaniikka.

Taivaanmekaniikan perusongelma on kuvata yhden tai useamman taivaankappaleen liikettä yhteisen keskuskappaleen ympäri. Yhden kiertävän kappaleen tilanne, jota sanotaan kahden kappaleen - kiertävän kappaleen ja keskuskappaleen - probleemaksi, on yksinkertainen ratkaista. Ensimmäisenä sen ratkaisi Newton (vrt. yllä). Kahden kiertävän kappaleen tilanne eli kolmen kappaleen probleema on huomattavasti vaikeampi, eikä sen ratkaisu aina onnistu ilman tilastomatematiikkaa (Teerikorpi ja Valtonen 1990, 142 - 143).

Yleisesti ajatellaan aurinkokuntamme planeettojen Neptunus ja Pluto löytymisen olleen taivaanmekaniikan ansiota. Uranuksen kiertoradan havaittiin eroavan siitä, minkä taivaanmekaniikka oli sille ennustanut, kun kaikkien tunnettujen planeettojen aiheuttamat muutokset oli otettu huomioon. Teoria korjattiin olettamalla uusi planeetta Neptunus, joka kiertää Aurinkoa. Kun tämän uuden planeetan paikka oli laskettu, alettiin sitä etsiä taivaalta, ja se löydettiin. Vasta myöhemmin todettiin löydön vaatineen runsaasti hyvää onnea, sillä laskujen ennustama kiertorata ei käynyt yksiin myöhempien havaintojen kanssa. (Teerikorpi ja Valtonen 1990, 139 - 140; vrt. myös Kaijanaho A. - J. 1992, väliotsikko Planeetta X).

Vastaavasti etsittiin Neptunuksen takaa planeettaa, joka selittäisi selittämättömät epäsäännöllisyydet Neptunuksen ja Uranuksen radoissa. Tämän työn tuloksena löytyi Pluto, joka ei kuitenkaan ollut se, mitä etsittiin: oletettu planeetta olisi omannut 7 kertaa Maan massaa suuremman massan, Pluto sen sijaan on Aurinkokunnan pienin planeetta. Vaikuttaa varsin todennäköiseltä, että Pluto oltaisiin joka tapauksessa löydetty muutama vuosi myöhemmin Suomessa. (Teerikorpi ja Valtonen 1990, 141.)

Mekaniikan voittokulku toi luonnollisena seuralaisenaan ylimielisyyden. Ihminen osaa ratkaista maailmankaikkeuden arvoituksen! Maailmankaikkeus on kone, ei muuta! Tätä maailmankuvaa on totuttu nimittämään taivaalliseksi kellokoneistoksi ranskalaista Pierre Simon Laplacea (1749 - 1827) mukaillen. Laplace oli teossarjassaan Tutkielma taivaanmekaniikasta esittänyt maailmankaikkeuden olevan systemaattisesti tutkittavissa oleva järjestelmä, kuin taivaallinen kellokoneisto. Laplace sanoi: "Jos älykäs olento tietää jollain ajan hetkellä kaikki luonnon voimat sekä kaikkien luonnon osasten hetkelliset sijainnit, hän voisi kirjoittaa kaikkien maailman kappaleiden, suurimmista avaruuden kappaleista pienimpiin atomeihin, liiketilat yhteen ainoaan kaavaan, olettaen, että olento pystyisi kaiken tiedon käsittelemään; olennolle ei jäisi mikään epäselväksi vaan sekä tulevaisuus että menneisyys avautuisivat hänen silmiensä eteen." (Teerikorpi ja Valtonen 1990, 141 - 142). Vasta tällä vuosisadalla kvanttimekaniikan indeterminismin myötä alettiin luopua tällaisesta ajattelutavasta. (Vrt Ekeland 1990, 33 - 40.)

Valon ongelma

Paitsi mekaniikassa, Newton vaikutti myös optiikassa. Hänen valo-oppissaan voi nähdä vaikutteita mekaniikasta. Juuri ennen valotutkimuksiaan Newton oli tutkinut kappaleen kimpoamista; havaittuaan valon heijastumisen noudattavan samaa lakia kuin kappaleen kimpoaminen, hän yhdisti nämä asiat toisiinsa sanoen valon koostuvan pienistä hiukkasista, joita valonlähde erittää. Valon värin määrää tällöin valohiukkasten koko.

Valon taittumisen Newton selitti painovoimalla. Niin kauan, kun valo kulkee samassa väliaineessa, kulkee valo suoraan, vaikuttaahan siihen samanmassaisten ainehiukkasten samanlainen painovoima joka puolelta. Kahden eri aineen rajapinnalla aineeseen vaikuttaa kaksi erilaista painovoimaa, jolloin valo taittuu kohti raskaampaa ainetta. Tällöin valon täytyy kulkea tiheämmässä aineessa nopeammin kuin harvemmassa. (Heinricius 1912, 244 - 245.)

Newton joutui kuitenkin ongelmiin teoriansa kanssa. Jokainen uusi havainto täytyi selittää erikseen, ja niin teoria paisui muodottomaksi ja epäuskottavaksi detaljien joukoksi. Niinpä alankomaalainen tähtitieteilijä Christian Huygens esitti vuonna 1678 vastateorian, jossa valo oletettiin aaltoliikkeeksi äänen tapaan. Valoaallot liikkuisivat tämän teorian mukaan eetterissä. Huygens onnistui selittämään näin lähes kaikki tuntemansa valoilmiöt. (Heinricius 1912, 245 - 246.)

Tärkein ominaisuus aaltomaisella valolla on interferenssi. Saman aallonpituuden omaavien valoaaltojen sanotaan olevan samanvaiheisia, jos ne johonkin samaan koordinaatistoon kuvattuina leikkaavat toisensa vain leikatessaan abskissan ja muuten ovat abskissan samalla puolella. Muutoin ne ovat erivaiheisia. Kaksi toistensa välittömässä läheisyydessä olevaa samanpituista aaltoa voidaan tällaisessa koordinaatistossa ikään kuin laskea yhteen: jos ne ovat samanvaiheisia ne vahvistavat toisiaan, erivaiheisina ne heikentävät toisiaan.

Newtonin ja Huygensin ajatukset valosta kilpailivat keskenään vielä vuosisatamme alkupuolella, vaikka Newtonin eritysteoria olikin melkoisen heikoissa asemissa. Vasta kvanttiteorian myötä ongelma ratkesi: ratkaisu oli Gordionin solmun halkaiseminen, minkä käsittelemme myöhemmin. Muutamia argumentteja aaltoteorian puolesta olivat valon taipumisen selittyminen interferenssin avulla sekä se, ettei kahden valon kohdatessa tapahdu törmäystä, vaan valokeilat jatkavat toisistaan piittaamatta. Hiukkasteoriaa puolsi lähinnä Newtonin mahtava auktoriteetti teorian takana. (Heinricius 1912, 247 - 251.) Lopullisen kuoliniskun Newtonin eritysteorialle antoivat mittaukset, jotka totesivat valonnopeuden käyttäytyvän juuri päinvastoin kuin painovoimataittuminen vaatisi. Heinricius (1912, 263) kirjoitti: Youngin, Fresnelin ja Aragon tutkimukset hankkivat vihdoin kieltämättömän voiton värähdysteorialle. Puuttui vain vielä sen seikan kokeellinen todistus, että valo tiheämmässä aineessa kulkee pienemmällä nopeudella kuin ohuemmassa. - - Vasta v. 1850 - - Foucault - - näytti - - asian todellakin niin olevan. Tämä koe on tuon vuosikymmeniä kestäneen työn kruunu, jonka kautta valon luonne, sikäli, kuin sen tätä nykyä käsitämme, on saatu selville.

Valon aaltoluonnetta vahvistaa sekin, mitä viime vuosisadan ehkä tärkein teoreettinen fyysikko James Maxwell (1831 - 1879) tutkimuksissaan totesi. Hän teki Michael Faradayn (1791 - 1867) keksimästä voimakentän käsitteestä matemaattisen teorian, joka yhdisti lopullisesti sähkön ja magnetismin. Oleellista teoriassa on (sähkö)magnetismin aalto-olemus, sähkömagneettiset aallot. Valoon teoria kytkeytyy vakion c, sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeuden avulla: Maxwellin c on mittatarkkuuden rajoissa yhtä kuin mitattu valon nopeus. (Teerikorpi ja Valtonen 1990, 156 - 160.)

Toisella tavalla valoa ja erityisesti värejä tutki Johann Wolfgang von Goethe (1749 - 1832). Hän ei etsinyt mekanismeja ilmiöiden takaa, kuten Newton tai Huygens. Hän toimi hyvin empiirisesti, kokeili ja loi kokeidensa pohjalta sääntöjä, joiden mukaan valo ja värit ihmisen aistimina käyttäytyvät. Hänen mukaansa valo ei ole kokoonpantu väreistä, kuten Newton väitti, sillä värillinen valo on tummempaa kuin väritön, eikä valoisaa voi saada tummuudesta. Sen sijaan värit muodostuvat, ei valon jakautuessa, vaan valon ja pimeän polariteetista. (Kupiainen 1978, 3.) Goethen värioppi on julkaistu mm. teoksena Goethe 1976.

... punnittu ja köykäiseksi havaittu ...

Valitettavasti Newtonin mekaniikka ja Maxwellin sähkömagnetismi eivät sovi yhteen. Newtonin kolme aksioomaa ovat riippumattomia siitä, missä tasaisella nopeudella liikkuvassa tai pysähdyksissä olevassa koordinaatistossa mittaukset tehdään. (Rindler 1977, 4) Niinpä koko Newtonin mekaniikka on vastaavasti riippumatonta, sen sanotaan täyttävän mekaniikan (eli Newtonin tai Galilein) suhteellisuuden kriteerit. Kysymys on siis siitä, ettemme voi mekaniikan keinoin todeta, onko vertailukehyksemme tasaisessa liikkeessä vaiko levossa. (Laurikainen 1979, 34 - 35.)

Maxwellin teoria ei täytä mekaniikan suhteellisuuden kriteereitä. Mittaamalla valon nopeus eri tilanteessa voidaan laskea, liikummeko vai olemmeko levossa (maailman)eetterin su teen. Maailmaneetteri on absoluuttisessa levossa oleva massaton, läpinäkyvä aine, joka täyttää koko maailmankaikkeuden, jolla on kaikenlaisia omituisia ominaisuuksia. Sen oletettiin vastaavan Newtonilla esiintynyttä absoluuttista avaruutta, jolla tarkoitetaan astiaa, joka avaruuden voidaan ajatella olevan Newtonin mekaniikassa. (Laurikainen 1978, 35 - 36.)

Kuuluisin koe, jolla yritettiin tämä Maan absoluuttinen nopeus mitata, tunnetaan nykyisin nimellä Michelsonin - Morleyn koe. Amerikkalaiset Albert Michelson (1852 - 1931) ja Edward Morley (1838 - 1923) mittasivat valon nopeutta eri suunnista tarkoituksenaan todeta, mistä suunnasta valo tulee Maata kohti kovimmalla vauhdilla. Maapallon rataliikkeen menosuunnasta tullessaan valon pitäisi liikkua suuremmalla nopeudella kuin kohtisuoraan menosuuntaan nähden kulkiessaan. Heidän laskujensa mukaan eron pitäisi olla hyvin mitattavissa. Kokeessa ei havaittu minkäänlaista eroa, joten näytti siltä kuin maailmaneetteri kulkisi Maan mukana, kuin Maa olisi sittenkin maailmankaikkeuden keskus. Tämä on tietenkin enemmän kuin uskomatonta, joten aluksi koetulos kyseenalaistettin, mutta lopulta maailmaneetterin ajatuksesta luovuttiin 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla Albert Einsteinin suhteellisuusteorian myötä. Michelsonin - Morleyn kokeen ovat yleistajuisesti kuvanneet Teerikorpi ja Valtonen (1990, 161 - 162; katso myös Rindler 1977, 6).

Ajatus eetteristä ja absoluuttisesta avaruudesta oli niin voimakkaasti syöpynyt mieliin, että Maxwellin ja Newtonin teorioita yritettiin sovittaa yhteen paikkailemalla. Tärkeimmän tällaisen yrityksen teki Hendrik Lorenz olettamalla eetterin läpi kulkevien kappaleiden kutistuvan liikkeensä suunnassa suhteellisuusteoriassakin esiintyvällä kertoimella, joka pienenee sitä mukaa, kun valonnopeutta lähestytään. (ks esim. Rindler 1977, 6 - 7).


1 Pimeys peitti luonnon ja sen lait; Jumala sanoi: tulkoon Newton! Ja valkeus tuli.

<< Länsimaisia maailmankuvia ennen fysiikkaa
>> Modernin fysiikan aikakausi


Copyright © 1996 Antti-Juhani Kaijanaho. All rights reserved.

Takaisin sisällysluetteloon
Takaisin kirjallisten töiden luetteloon
Takaisin kansisivulle

Antti-Juhani Kaijanaho <gaia@iki.fi>