Áèîôèçèêà

Füüsika: sissejuhatus.

Füüsika on teadus kehade vastasmõjudest ja nendest põhjustatud liikumistest. Kehade vastasmõju avaldub jõuväljana.

“Keha” tunneme sellest, et tal on olemas mass, mis väljendub likumise inertsi ja gravitatsioonina. Kehal võib olla ka elektrilaeng, mis väljendub vastasmõjus teise laetud kehaga elektrivälja kaudu. Kõige elementaarsemad kehad on näiteks elektron ja prooton, mis moodustavad aatomid. Aatomitest moodustuvad molekulid. Suuremad kehad koosnevad omavahel seotud paljudest aatomitest või molekulidest. Paljuaatomilised kehad võivad olla tahked, vedelad või gaasilised, sõltuvalt jõudude tugevusest, mis aatomeid (molekule) seovad. Kehad mõjutavad üksteis kaugelt, jõuväljade kaudu.

Keha “jõuväli” on kõikjal tema ümber ruumis, kuni lõpmatu kaugele. Jõuväljas asuvale teisele kehale mõjub jõud, aga samuti mõjub jõud teise keha jõuväljas asuvale esimesele kehale. Nii mõjutavadki kehad üksteist kaugelt jõuväljade kaudu. Kaugmõju väljade kaudu on ainus kehade vastastikune mõju looduses. Gravitatsiooniline kaugmõju on silmaga nähtav universumi ehituses, elektromagnetiline kaugmõju aga domineerib aatomite ja molekulide vahel, sealhulgas ka siis, kui kehad “silmnähtavalt” kokku puutuvad. Niisugust nähtust nagu “kokkupuutumine” ei ole olemas. Kehad ei puutu kunagi tegelikult kokku, maksimaalses läheduses aatomite välised elektronkihid satuvad lähestikku ja negatiivsed laengud tõukuvad üksteise jõuväljas, takistades kehade edasist lähenemist. Kui jätame kõrvale tuumasisesed jõud, siis need kaks, gravitatsiooniline ja elektromagnetiline, ongi ainsamad jõud, mis määravad aatomite ja molekulide paigutuse kehades ja kehade paigutuse kosmilises ruumis, seega kogu looduse ehituse.

Käesolevas kursuses püüamegi muuta loodust mõistetavamaks tema atomaarse-molekulaarse struktuuri kaudu. Kogu looduse struktuur alates aatomitest ja lõpetades universumiga, kaasa arvatud eluslooduse struktuur, saab mõistetavaks kui tunneme füüsikaseadusi, mis määravad kehade võimaliku asendi üksteise jõuväljades. Suhteliselt väike arv põhilisi füüsikaseadusi määrab elektronide paigutuse aatomis, aatomite paigutuse molekulis, molekulide paigutuse kehas. Selge, et elementaarkehade arvu suurenedes nende vastastikune mõju muutub väga keeruliseks ja seda analüüsida ei ole lihtne. Füüsika on võimeline detailselt kirjeldama vaid suhteliselt lihtsaid struktuure, keerukamate puhul tuleb rakendada loogilise ekstrapolatsiooni meetodit, püüdes ette kujutada, kuidas lihtsaid struktuure valitsevad seadused kombineeruvad keerukamates struktuurides. See ongi mõttetegevus, mõtlemine, mida ootan bioloogidelt kui nad asuvad rakendama käesolevas kursuses omandatut oma erialal.

Füüsikat peetakse tavaliselt matemaatiliseks teaduseks, mis tihtipeale põhjustab hirmu. See ei ole aga nii. Matemaatiline on vaid üks teadus – matemaatika. Loodusteadusi, kaasa-arvatud füüsikat, on võimalik, isegi ainuvõimalik, mõista ilma matemaatikat rakendamata. Matemaatiline valemite keel on rakendatav lihtsate seoste lühidaks kirjeldamiseks. Näiteks teades, et auto läheneb kiirusega 50 km/h ja asub praegu minust 50 m kaugusel saan ma arvutada, et ta jõuab minuni t=s/v=50/(50x1000/3600)=3.6 sekundi pärast. Teades, et ma kõnnin kiirusega 5 km/h kulub mul 10 m laiuse tänava ületamiseks 10/(5x1000/3600)=7.2 s. Ilmselt ei ole otstarbekas tänavaületamist alustada, sest jään auto alla just tee keskpaigas. Kas ma aga tänaval seistes teen need arvutused? Kindlasti mitte, vaid ma kujtlen, kuidas auto jätkab oma liikumist, kuidas mina astuks üle tee ja ma näen “vaimusilmaga”, kuidas auto sõidaks mulle peale. Niisugune kujutlemine on välismaailma modelleerimine mõttes, see ongi mõtlemine. Füüsika täilelikuks mõistmiseks ei tohi mitte valemeid ega konspektilehtedel asetsevaid lauseid endale vaimusilma ette manada, vaid protsesse, kehasid ja nende liikumisi. Ei ole suur häda, kui te aatomit või molekuli kujutlete teistsugusena kui ta tegelikult on, suurem on häda kui te teda üldse ette ei kujuta. Selge, et suure hulga aatomite-molekulide liikumise ette kujutamine võib olla raske, aga veel raskem oleks nende matemaatiline kirjeldamine. Näiteks kvantmehaaniliselt on lahendatud vaid kahe keha vastasmõju probleem. Kolme või rohkema keha puhul tuleb juba kasutada mitmesuguseid lähendusvõtteid, milles matemaatika ja loogiline ettekujutus põimuvad. Niisiis, asjade mõistmiseks tuleb just neidsamu asju modelleerida, ette kujutada, mitte aga meelde tuletada valemeid või lauseid, mis nende kohta käivad. Siit tulebki vahe mõistete “tean” ja “mõistan” vahel. “Teatakse” fakte. Tüüpiline näide on siin mälumängurite kiired vastused Jeopardy turniiril. Mnemoturniiril aga antakse aega, ja ilus on pealtkuulata, kuidas loogilise arutelu, mõtlemise teel jõutakse õige vastuseni ka siis, kui seda keegi osavõtjatest alguses ei tea. Vastus, mida ei teata, mõeldakse välja. Õige vastuse väljamõtlemine igal elujuhtumil ongi asjade mõistmise tunnus. Füüsikas on heaks mõistmise kontrolliks ülesannete lahendamine. Ilma ülesandeid lahendamata ei ole te seda füüsikakursust kindlasti mitte mõistnud. Mõistmise ja teadmise dialektika on tihedalt seotud teoreetilise ja eksperimentaalse teaduse dialektikaga.

Eksperiment ja teooria teaduses.

Me saame oma teadmised loodusest vaatluste ja eksperimentide tulemustena. Vaatlused, näiteks astronoomilised või ökoloogilised, on looduses iseenesest toimuvate protsesside passivne registreerimine, jälgimine. Eksperiment (katse) on aktiivne vahelesegamine looduslikesse protsessidesse tahtlikult muutes nende toimumise tingimusi. Eksperiment ja vaatlus annab meile teadmise, mis toimub teatud objektidega teatud tingimustes. Näiteks saame teada, et teatud täht kiirgab mingi intensiivsusega ja mingi spektraaljaotusega valgust, või et bakterirakk kasvab mingi kiirusega. Need on faktid, mis iseloomustavad ainult ja ainult seda konkreetset situatsiooni milles katse või vaatlus tehti. Kui aga on tarvis teada, millal see täht (näit. meie Päike) plahvatab supernoovana või kui sageli bakterirakk pooldub, siis nendest katsetest vastust ei saa. Kuigi bakterite paljunemise kohta saaks ju teha vastava katse, siis Päikese plahvatuse puhul oleks seda hilja vaadelda. Kui me oleme tõepoolest mõistnud tähe evolutsiooni ja raku elutsüklit, siis peaksime olema võimelised teoreetiliselt ette ennustama nii pooldumist kui plahvatust. Ennustada saab teooria baasil, ekstrapoleerides seda kas ainult loogilise mudeli või siis ka matemaatilise mudeli abil. Teooria ongi tegelikult loodusliku protsessi peegeldus, selle mudel meie mõtlemises. Teooria on tunnetuse, mõistmise täiuslikem etapp. Kuidas aga tekib teooria meie käsutuses olevate vaatlustulemuste kaudu?

Vaatlused ja eksperimendid esitavad tulemustena teatud fakte, mis on tõesed olukordade tarvis, milles need saadi. Peaks tegema lõpmatu palju eksperimente, et saada vastused mõeldavate olukordade kohta, ja ikka jääks veel lõpmatu palju olukordi, mille kohta eksperimenti tehtud ei ole. Ülaltoodud näites autoga tähendaks niisugune empiiriline lähenemine seda, et auto asukoht tuleks mõõta igal ajahetkel, sest ilma teooriata kuidagi ei saa ju teada, kus ta saab asuma järgmise sekundi, kümnendiku, sajandiku jne pärast. Kui meil on aga teooria, et auto liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt kiirusega 50 km/h, siis saame kindlusega ette ennustada, kus ta saab asuma näiteks 3.6 sekundi pärast. Kuidas tekkis aga ühtlase ja sirgjoonelise liikumise teoreetiline ettekujutus, kas selleks tehti lõpmatu palju mõõtmisi ja siis üldistati? Ei, oli vaja mõõta keha asukoht ja aeg ainult kolmes punktis ja avastada seaduspärasus, et võrdsete teepikkuste läbimiseks kulus võrdne aeg. Seda seaduspärasust aga mõõtmistulemused meile ette ei ütle, see tuleb endal avastada tulemusi analüüsides. Siin avaldubki eksperimentaalse ja teoreetilise teadusliku tunnetuse dialektika: ühelt poolt baseerub teooria eksperimentide tulemustel, teiselt poolt ei ole olemas reeglit ega seadustpära, mille järgi eksperimentide tulemuste põhjal luua teooria. Teooria on niisugune loogiline (matemaatiline) protsessi mudel, mis rahuldab kõiki olemasolevaid eksperimenditulemusi. Teooriat võib luua ka siis, kui on olemas kas või üksainus eksperiment, aga tavaliselt ei ole see teooria siis võimeline rahuldama teise eksperimendi tulemust (ei lange sellega kokku). Mida rohkem on eksperimente, mida antud teooria rahuldab, seda tõenäosem on, et ta rahuldab ka uusi, veel tegemata eksperimente, seega, on võimeline tulemusi õigesti ette ennustama. Teooria, mis rahuldab paljude eksperimentide tulemusi, ei tulene aga üldse nendest eksperimentidest, vaid on omaette sõltumatu loogiline mudel, mis sünnib