Mitä fysiikka on?

Fysiikka on luonnontiede, joka tutkii maailmaa sen kaikilla tasoilla, atomeista ja hiukkasista tähtiin ja koko maailmankaikkeuteen. Fysiikan tarkoituksena on siis ymmärtää maailmaa. Fysiikan tutkimus on vuosisatojen kuluessa tuottanut suuren määrän tietoa, joka tiivistetään mahdollisimman yksinkertaisesti ja kattavasti fysiikan lakien muotoon. Nämä lait ja periaatteet ovat muiden tieteenalojen ja teknologian perusta ja kivijalka.

Luonnontieteiden filosofiaa

Ihmiskunnan "tieteellinen projekti" on kestänyt n. 400 vuotta. 1600-luvulla alkanut tiedon systemaattinen kumuloituminen on fysiikassa johtanut suhteellisuusteoriaan ja kvanttimekaniikkaan, biologiassa evoluutioteoriaan ja DNA:n löytymiseen (molekyylibiologiaan). Näihin oppeihin perustamme tänään luonnontieteellisen maailmankuvamme.

Kaiken takana on fysiikka

Siinä missä biologia tutkii elämän evoluutiota, fysiikka tutkii ajan, avaruuden ja materian evoluutiota, jota ilman elämä ei olisi mahdollista. Lisäksi, aineen rakennetta ja luonnossa vaikuttavia perusvoimia tutkimalla fysiikka luo pohjan kaikelle muulle luonnontieteelle. Kemia, molekyylibiologia ja biologia ovat ontologisesti redusoitavissa fysiikan lakeihin. Teknologiankin perustuessa fysiikan lakeihin voimme sanoa, että kaiken takana on fysiikka.

Itsekorjautuvuus

Fysiikka perustuu luonnon prosessien havainnointiin. Mittaustulosten perusteella rakennetaan malleja ja teorioita, eli pyritään löytämään luonnossa piileviä lakeja. Jotta teoria olisi hyväksyttävä, sen tulee täyttää kaksi perusehtoa: siihen johtaneet mittaukset pitää olla toistettavissa, ja teoriasta johdetut uudet oletukset pitää pystyä todentamaan myös kokeellisesti. Jos näin ei ole, teoriaa joko korjataan tai se hylätään: fysiikka - kuten muutkin luonnontieteet - on itsekorjautuva tietorakennelma. Samasta syystä fysiikan lait ovat myös universaaleja. Ne heijastavat todellisuutta, eivät tutkijoiden poliittisia tai kulttuurisidonnaisia näkemyksiä.

Menestyksen salaisuus

Luonnontieteet eroavat ns. pseudotieteistä juuri kokeellisuutensa tähden. Mitään teoriaa, olkoon se kuinka kaunis tai esittäjän omiin tarkoitusperiin sopiva, ei kelpuuteta tieteelliseksi ellei sitä pystytä testaamaan ja verifioimaan luonnossa. Toisaalta mitään teoriaa ei hylätä pelkästään sen erikoisuuden takia (tyypillinen pseudotieteiden kannattajien väite). Tuskin mikään teoria voisi olla yhtä yllättävä, epäintuitiivinen ja vaikeasti ymmärrettävä kuin kvanttimekaniikka, joka kuitenkin hyväksyttiin suhteellisen nopeasti juuri kokeellisen todistusaineistonsa perusteella.

Luonnontieteiden menestys perustuukin niiden ajattelutapaan, joka on ennakkoluuloton ideoiden suhteen ja konservatiivinen todisteiden suhteen. Tämän ansiosta luonnontieteet luovat myös teknologiamme perustan.

Yleissivistys

Luonnontieteet vaikuttavat kaikkeen elämässämme. Siten ne eivät kuulu vain tutkijoille, vaan kyse on yleissivistyksestä.

  • Luonnontieteet opettavat meille syvällisiä totuuksia asemastamme maailmankaikkeudessa. Tieteelliset teoriat ovat vaikuttavuudessaan verrattavissa suuriin taideteoksiin.
  • Luonnontieteiden opettamaa luovaa mutta samalla kriittistä ajattelutapaa voi soveltaa jokapäiväisessä elämässä. Luonnontieteellisesti sivistynyt ihminen ei ole esim. vallanpitäjien tai erilaisten painostusryhmien ohjailtavissa.
  • Luonnontieteellinen osaaminen on nykyisen hyvinvointimme perusta ja ehto; tämän tosiasian vähättelyllä voi olla katastrofaalisia seuraamuksia.

Keskiasteen fysiikan opettajilla on jo suuri vastuu siitä, että kouluista saadaan yliopistoihin motivoituneita luonnontieteellisten ja teknisten aineiden opiskelijoita. Tämän lisäksi myös kaikkien muiden tulisi saada koulussa selkeä kuva luonnontieteiden merkityksestä sekä maailmankuvan että hyvinvoinnin kehittäjänä.

Asemastaan huolimatta myös fysiikalla on rajansa.

Emergenssiperiaate

Fysiikan käsitteet eivät välttämättä ole siirrettävissä muihin tieteisiin. Esimerkiksi biologisia prosesseja ei ole järkevää selittää kvanttimekaniikan avulla, ja humanistisia tieteitä ei voida redusoida fysiikkaan (evoluutiolla voidaankin kyllä selittää - osittain - eräitä ihmisenä olemiseen liittyviä kysymyksiä). Ylemmän tason tieteiden lakeja kutsutaankin emergenteiksi (emergenssi = kullekin kuvaustasolle olennaisten, efektiivisten muuttujien ja vuorovaikutusten identifiointi). "Ahne" reduktionismi ei ole hyvää politiikkaa, vaan kullakin tieteellä on oma itsenäinen merkityksensä, joka syntyy niiden antamien tulosten käyttökelpoisuudesta.

Tieteen "loppu"

Luonnontieteet ovat onnistuneet tehtävässään erittäin hyvin, jopa niin että eräät asiantuntijat puhuvat tieteen "lopusta": se on selittänyt kaiken tarpeellisen, ja jäljellä on vähäisten aukkopaikkojen täyttämistä ja soveltavaa tutkimusta. Tämän lisäksi osa avoimista kysymyksistä voi olla käytännössä mahdottomia ratkaista.

Onkin hyvin epätodennäköistä, että todella käänteentekeviä tieteellisiä mullistuksia enää tapahtuisi, esim. että löydettäisiin uusi, "telekineettisiä voimia" välittävä hiukkanen tai että DNA:n merkitys elämälle korvaantuisi jollakin uudella teorialla. On myös totta, että osa tieteen kysymyksistä asettaa kohtuuttomia vaatimuksia mittauksille. Emme kykene tarkkailemaan maailmankaikkeuden syntyä uudemman kerran (ja hidastettuna). Emme myöskään kykene rakentamaan hiukkaskiihdyttimiä, joiden halkaisija lasketaan valovuosissa (niitä tarvittaisiin, jotta päästäisiin kokeellisesti testaamaan viimeaikaisia säieteorioita). Pahimmassa tapauksessa emme koskaan pääse tutustumaan muiden planeettakuntien elämän omituisuuksiin, tai seuraamaan elämän syntyprosessia. Näiltä osin tiedettä väitetään uhkaavan "filosofioituminen": on helppoa ja turvallista spekuloida teorioilla, joita ei voi todistaa oikeaksi tai vääräksi.

Pimeän materian ja energian kaltaiset ilmiöt osoittavat kuitenkin, että kosmologiankin tasolla tutkimus voi edistyä. Tieteen lopun ennustajat rajoittavat tieteen myös liian kapeasti vain "suureen" tieteeseen. Fysiikassa on jäljellä paljon avoimia, perustutkimuksen piiriin kuuluvia kysymyksiä, jotka ovat myös ratkaistavissa realistisin panostuksin. Ne eivät ehkä aiheuta yhtä suuria tieteellisiä vallankumouksia kuin "vanhoina hyvinä aikoina", mutta niiden merkitystä ei silti kannata vähätellä. Samoin soveltavan tutkimuksen mielenkiinto säilyy hyvin pitkälle tulevaisuuteen.

On myös väärin väittää, että tieteen selittäessä kaikki luonnonilmiöt se köyhdyttäisi ihmiskunnan mielikuvitusta ja kykyä tuntea ihmetystä ("sense of wonder"). Vaikka emme löytäisikään aina vain uusia ihmetyksen aiheita, yksilön tasolla luonnontieteellisen maailmanselityksen kauneus on aina olemassa, sen iästä riippumatta.

Evoluution asettamat rajat

Tieteen rajoja on etsitty myös ihmisen evoluutiosta: luonto ei ole muokannut aivojamme ratkaisemaan kvanttimekaniikan kaltaisia kysymyksiä. Ehkä olemme aivan yhtä kykenemättömiä ratkaisemaan tietoisuuteen tai maailmankaikkeuden syntyyn liittyviä ongelmia kuin jyrsijät käsittelemään atomiteoriaa?

Jyrsijät eivät kuitenkaan aseta itselleen edes kysymystä atomiteorian mahdollisuudesta tai aineen perimmäisestä luonteesta. Klassisen ajan kreikkalaiset puolestaan spekuloivat asialla paljon ennen kuin minkäänlaista mittauskalustoa asian tutkimiseen oli olemassa (kyse oli metafysiikasta eli filosofiasta). Nykyään ihmisen mielikuvituksen tukena on myös matemaattinen koneisto, joka usein ohjaa tutkijaa aivan uusille alueille. Siinä missä ihmisen on vaikea kuvitella tai käsitellä n-ulotteista avaruutta, matematiikkaa ulottuvuuksien lisäys ei paljoa hidasta.

Ihminen poikkeaa muista eläimistä siinä, että aivomme kasvavat merkittävästi vielä syntymän jälkeen. Olemme siis huomattavasti vähemmässä määrin perimämme orjia kuin muut lajit. Evoluution asettamat rajat löytyvät varmasti jossain vaiheessa (ja ehkä tuolloin koneet pystyvät parempaan?), mutta esim. em. käytännön ongelmiin verrattuna tämä raja ei tunnu kovin läheiseltä.

Viimeksi päivitetty: 11.6.2015