Füüsika ajalugu

Prindi

Ivar Piir

1

Alustasin füüsika ajaloo ülevaate käsikirja koostamist 1980. aastate teisel poolel. Esialgu oli see Tartu ülikooli füüsikaosakonnas peetud loengute laiendatud tekst. Umbes poolteise aastaga jõudsin käsitluses peaaegu 19. sajandi lõpuni, kirjutada jäi vaid elektri ja magnetismi peatükk. Üliõpilastele koostasin paarikümneleheküljelise abimaterjali eksamiks valmistumise tarbeks.

1990. aastate lõpul jätkasin kolleegide soovitusel tööd käsikirja kallal. Peagi jõudsin teoreetiku jaoks hoopis tuttavama ja meelepärasema ainese juurde, 20. sajandi uue füüsikani. Viimased kolm peatükki (VIII-X) käsitlesid esialgset Plancki-Bohri kvantfüüsikat, Einsteini relatiivsusteooriaid ning Heisenbergi-Schrödingeri kvantmehaanika tekke- ja arengulugu. Oma 80. sünnipäeval lubasin julgelt juurde kirjutada veel ühe peatüki 20. sajandi teise poole füüsikast, kuid töö takerdus terviseprobleemide tõttu. Selle peatüki (XI) kirjutas lõpuni Piret Kuusk, küll mõneti visandlikumalt kui eelnevad peatükid VIII-X. Täiesti kajastamata on jäänud see osa 20. sajandi füüsikast, mis hõlmab kondenseeritud aine füüsikat koos selliste nähtustega nagu ülivoolavus, ülijuhtivus, faasisiirded, käsitlemata on ka optika areng, kaasa arvatud mittelineaarne ja kvantoptika.

Nii on valminud ühe füüsikateoreetiku käsitlus füüsikateaduse arenguloost, mis liikunud väga eriilmelistest üksikteadmistest ja pisiavastustest suuremate üldistuste ja tervikliku maailmapildi poole. Kõige selle taga on inimesed, kuid eriti just varasemast ajast on nende kohta sageli teada vaid nimi ja eluaastad, kui sedagi.

Füüsika arenes pikka aega sujuvalt, ilma vapustusteta. 17. sajandil muutis Isaac Newtoni „Loodusfilosoofia matemaatilised printsiibid“ füüsika teaduseks, mida kiiresti tunnustati. Mehaanika põhiseadused olid lihtsad ja hakkasid kuuluma koolihariduse juurde. Ka gravitatsiooniseadus oma universaalsuses oli mõistetav. Newtoni enese esitatud kahe keha probleemi lahendus andis planeetide liikumist seletavad Kepleri seadused, mis olid samuti arusaadavad. Varsti muutus üldiseks veendumuseks teadmine, et mehaanikas on kehade liikumine üheselt määratud liikumisseaduste ja algtingimustega (mehhanitsistlik determinism); soovi korral võib seda nimetada paradigmaks.

Rahumeelne 18. sajand tõi kaasa Newtoni mehaanika tõlkimise geomeetria keelest diferentsiaalarvutuse keelde (Leonhard Euler; Jacob, Johann ja Daniel Bernoulli), aga ka prantslaste (Jean-Baptiste d’Alembert, Joseph-Louis Lagrange) püüded jõuprobleemi teistlaadseks käsitlemiseks. Sajandi lõpp andis uue näo ja rakendamise alused elektriõpetusele. James Watti leiutatud aurumasin muutis tööstust nii Inglismaal kui ka Mandri-Euroopas.

19. sajand tõi kaasa laineoptika (Augustin Fresnel), aga ka keskkonnas levivad lained ja eetrihüpoteesi. Sadi Carnot esitas elegantse soojusjõumasinate teooria, millest oli vaid mõni samm termodünaamika ja energia jäävuse printsiibini. Newtoni mehaanika kõrvale tekkis statistiline mehaanika. Alalisvoolu kaudu suudeti korralikult ühendada elekter ja magnetism. Üks suurimaid füüsika isetegijaid Michael Faraday rajas elektromagnetismi katselise aluse, millele andis esialgu küll üsna raskepärase matemaatilise vormi James Clerk Maxwell. Tema nihkevoolu ideest sündis elektromagnetlainete teooria. Maxwelli „Traktaadi elektrist ja magnetismist“ tõlkis saksa keelde Ludwig Boltzmann, varustades selle põhjalike kommentaaridega. Sellest väljaandest, mis sai Mandri-Euroopas füüsikute käsiraamatuks, on minu siinses raamatus kahetsusväärselt vähe juttu. Uurima hakati elektromagnetlaineid, esialgu küll eetriteooria nimetuse taha varjatuna. Ja nii tundus 19. sajandi lõpul, et füüsikateadus on peaaegu lõpetatud ja valmis.

Kuid 19. sajand lõppes suurte ja ootamatute avastustega: röntgenikiired, radioaktiivsus, lisaks molekulidele ja aatomitele leiti imepisike elektron. Esialgu oli see kõik vaid põnev uudsus. Siis aga jõudis Planck saladusliku energiakvandini ja Einstein erirelatiivsusteooriani. Osutus, et kvantmehaanika ja erirelatiivsusteooria taga avaneb midagi täiesti uut - üliväikeste ja peaaegu valguse kiirusega liikuvate osakeste, elektronide maailm. 20. sajandi kaht suurt teooriat tutvustavate peatükkide käsitlus on ehk eelnevatest põhjalikum. Tundsin end võlglasena Einsteini ees, sest üldrelatiivsusteooriat pole ma üliõpilastele lugenud ning kvantmehaanika kursusel jäi mul puudu korralik ajalooline sissejuhatus ja ülevaade teooria tunnetuslikest probleemidest.

Siinne raamat püüab anda ülevaate kogu füüsikast, seetõttu on Eestiga seotud füüsikast ja füüsikutest juttu vaid episoodiliselt. Selle kompenseerimiseks toon sisse oma mälestusi, mis kujutavad endast paljuski füüsika ja eriti just teoreetilise füüsika ajalugu Tartu ülikoolis 20. sajandi teisel poolel.

Minu tee füüsikasse algas 1947. a. sügisel, mil asusin õppima Tartu ülikooli matemaatika-loodusteaduskonda. Vastuvõtt toimus üleliiduliste õppeplaanide ja -programmide alusel matemaatika ja füüsika liiterialale, matemaatikuteks ja füüsikuteks jaguneti alles neljanda semestri alguses. Esimesel kolmel semestril tuli sooritada seitse eksamit matemaatilistes ainetes. Nii said ka tulevased füüsikud korraliku matemaatilise baashariduse. Füüsika üldkursuste eksamid olid teisel semestril (mehaanika ja soojus) ja kolmandal semestril (elekter). Füüsikaloengud põhinesid keskkoolimatemaatikal, kõrgema matemaatika elemente kasutati juhuslikult. Füüsika üldpraktikumi tööd pärinesid osalt tsaariajast, osalt Eesti Vabariigi ajast. Praktikumitöödes oli palju katsevigade hindamist ja arvutamist. Need tööd püüdsime kiiresti ära teha, nägemata neis teadusliku töö algeid. Õppejõud olid meie arvates küllaltki nõudlikud. Matemaatikaosakonnas pidasid loenguid vanad professorid Hermann Jaakson, Jaan Sarv ja Gerhard Rägo ning 1948. a. doktorikraadi omandanud Gunnar Kangro. Füüsikaosakonnas enne sõda töötanud õppejõud olid peaaegu kõik Eestist lahkunud, osakonna liidriks kujunes hilisema teoreetilise füüsika kateedri juhataja astrofüüsik prof. Aksel Kipper. Füüsikakateedri juhatajaks oli Anatoli Mitt, kes oli ülikooli lõpetanud magistrikraadiga ning töötanud Hugo Treffneri gümnaasiumis õpetajana. Ka enamik teisi üldfüüsika õppejõude olid varem olnud keskkooliõpetajad. Ainukeseks erandiks oli pangandusmatemaatikuna töötanud Paul Prüller. Neid asjaolusid ei osanud ma oma eriala valides hinnata. Küll aga köitis minu tähelepanu üliõpilaste füüsikaringi hoogne töö, sealsed iganädalased referaadikoosolekud. Füüsikaringi olid juba 1946. a. organiseerinud üliõpilased Harry Õiglane ja Ruth Lias. Ringi koosolekutel osales ka prof. A. Kipper, kes tõi diskussioonidesse palju elevust. Ka mina olin innukas koosolekutel osaleja, kuid esialgu ainult kuulajana.

1949. a. kevadsemestril alustasin õpinguid füüsika eriala üliõpilasena. Sama aasta sügisel valiti A. Kipper akadeemikuks ja kateedrit hakkas juhatama Harald Keres, kelle doktorikraad oli äsja kinnitatud Moskvas Kõrgemas Atestatsioonikomisjonis. Jätkusid üldfüüsika loengud: neljandal semestril optika (A. Mitt) ning viiendal semestril aatomi- ja tuumafüüsika (A. Mitt). Algasid loengud üldnimetusega „Matemaatilise füüsika meetodid“ (H. Keres) ja teoreetilise füüsika põhikursused (Paul Kard). Kuna meid kavandati spetsialiseeruma optikale, luges P. Kard meile koguni viit sellealast erikursust. Kvantmehaanika kursust luges prof. A. Kipper. Minu diplomitöö juhendajaks 1952. a. oli prof. A. Kipper, teemaks „Molekulaarse Starki efekti mõjust spektrijoonte kontuurile“. 1949. a. oli oma kandidaaditöö kaitsnud A. Kipperi esimene aspirant P. Kard ning 1950. aastate algul said tema aspirantideks teaduste akadeemia juures Ilse Kuusik ja Harry Õiglane. Oma kandidaadiväitekirjad kaitsesid nad 1954. aastal. H. Kerese juhendamisel alustasid aspirandid R. Lias 1951 ja mina 1952. Meie uurimisalaks kujunesid protsessid nõrgas kvanditud gravitatsiooniväljas. Seda uurimissuunda pidas väga oluliseks Moskva ülikooli professor Dmitri D. Ivanenko. Eriti rõhutas ta vajadust uurida osakeste ja gravitatsiooni vastastikuseid transmutatsioone, nähes selles omamoodi kinnitust materiaalse maailma ühtsusele. Minu töö teemaks said mittelineaarsed efektid kvanditud gravitatsiooniväljas.

Pärast kandidaadikraadi saamist 1954. a. jäi R. Lias tööle teoreetilise füüsika kateedrisse, mina kaitsesin väitekirja 1955. a. ja sain teoreetilise füüsika kateedri õppejõuks 1957. a. Kui prof. H. Keres asus 1958. a. aprillis tööle ülikooli teadusprorektorina, sai minu ülesandeks pidada loenguid matemaatilise füüsika meetoditest ning termodünaamikast ja statistilisest füüsikast.

Aastatel 1970-1980 töötasin teaduste akadeemia füüsikainstituudi teoreetilise füüsika sektoris vanemteadurina. Kuna gravitatsiooni kvantteooria probleemid ei edenenud (ja pole kusagil maailmas siiamaani eriti edenenud), püüdsin leida endale uurimisteemat üldrelatiivsusteooria muude küsimuste hulgast: gravitatsioonilained, kiirgusprobleemid kõvera aegruumi foonil, Huygensi printsiip. See töö tõi üksikuid rõõmuhetki, mis küll süvenemisel kippusid tuhmuma ja viisid tupikusse. Rohkem helgeid kordaminekuhetki pakkus kindlasti ülikooli õppetöö. Mul on olnud võimalus ja õnn lugeda kõiki teoreetilise füüsika põhikursusi. Kvantmehaanika kursust soovinuksin küll veel paar aastat viimistleda. Elektrodünaamika puhul kammitses esialgu P. Kardi aastatepikkune töö ja kogemus, kuid usutavasti jõudsin lõpuks ka omapoolse rahuldava esituseni. Traditsioonilised kursused üldpealkirjaga „Matemaatilise füüsika meetodid“ pakkusid aeg-ajalt võimalusi kõrvalepõigeteks füüsika uuematesse osadesse, eriti kvantteooriasse.

1980. lõpuaastail, kui senine õppetöökorraldus hakkas murenema, hakkasid ka teoreetilise füüsika kateedris mõtted liikuma õppetöö avardamise suunas. Kolleeg Aare Koppel kavandas laiema kuulajaskonna jaoks nn. humanitaarfüüsika kursust, minu mõte suundus füüsika ajaloo poole, millest ma püüdsin kujundada füüsikaüliõpilastele kokkuvõtlikku kursust.

Sellealaseid raamatuid, olude sunnil põhiliselt venekeelseid, hakkasin enda silmaringi avardamiseks ostma juba alates 1952. aastast. Nende hulgas oli nii füüsikute elulugusid kui ka „segakavaga“ raamatuid, kus kõrvuti autori elulooga ka katkendeid tema teadustöödest, metodoloogilisi artikleid ja publitsistikat. 1956. a. sain kolm suurt ajalooraamatut: Kudrjavtsevi õpiku kaks esimest köidet (П. С. Кудрявцев, „История физики“ I, II) ja Spasski õpiku esimese köite (Б. М. Спасский, „История физики“ I). 1964. a. ilmus Spasski õpiku II köide ja 1971. a. Kudrjavtsevi õpiku III köide. Neid kõiki lugesin ainult lõiguti. 1956. a. avaldati venekeelses tõlkes füüsika ajaloo lühikäsitlus, autoriks Max von Laue (М. Лауэ, „История физики“). Selle lugesin küll kohe läbi ja see võinuks olla lühikese loengukursuse aluseks. 1974. a. ja 1979. a. ilmus soliidne akadeemiline füüsika ajalugu Jakov Grigorjevitš Dorfmanilt (Я. Г. Дорфман, „Всемирная история физики“). Palju olen kasutanud Mario Gliozzi faktirohket raamatut, mis ilmus 1965. a. itaalia keeles ja 1970. a. venekeelses tõlkes (М. Льоцци, „История физики“). Väga põhjaliku käsitluse termodünaamika ja statistilise füüsika arenguloost on andnud J. Gelfer (Я. М. Гельфер, „История и методология термодинамики и статистической физики“ I 1963, II 1979). VIII-X peatüki kirjutamisel olen aluseks võtnud põhiliselt kaks käsitlust: Abraham Paisi „The Science and the Life of Albert Einstein“ (Toronto, 1982, venekeelne tõlge А. Пайс, „Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна“, 1989) ning Max Jammeri „The Conceptual Development of Quantum Mechanics“ (New York, 1966, venekeelne tõlge М. Джеммер, „Эволюция понятий квантовой механики“, 1985).

Huvitavat teavet füüsika ajaloo kohta pakuvad ka mitmed eestikeelsed raamatud. Harry Õiglane annab oma raamatus „Mikromaailma sügavusse“ (ERK, Tallinn, 1963) ülevaate aine ehitusest, käsitletuna ajaloolises kujunemiskäigus. Jaak Lõhmus ja Laur Palgi keskenduvad oma raamatus „Osakestest osakestes“ (Valgus, Tallinn, 1985) tänapäevastele ettekujutustele mateeria struktuuri kohta. Jaak Lõhmuse ja Rein Veskimäe koostatud kogumikus „Universumi mikromaailm“ (OÜ REVES Grupp, Tallinn, 2003) on nii seda kui ka teist: Jaak Lõhmuse pikk ajalooline ülevaade ideedest füüsikalise maailma kohta ja hulk artikleid 20. sajandi lõpuks välja kujunenud teadmistest mikromaailma ja universumi teemadel.

Siinne raamat ei oleks valminud ilma kaastöötajate lahke abita. Ligi 20 aasta jooksul, mil ma füüsika ajaloo raamatu käsikirja kallal töötasin, on mulle sõbralikult tuge ja abi pakkunud mitmed kolleegid, head inimesed. Tahan neid kõiki siiralt tänada. 1980. aastatel valminud loengute käsikirja vormistas arvutisse teoreetilise füüsika kateedri tollane laborant Aino Kiis. Mu kodukateedri pere kinkis mulle 1999. a. 70. sünnipäevaks arvuti ja innustas mind käsikirja kallal edasi töötama. See töövahend, mille operatsioonisüsteemiks Windows 95, on mind siiani ustavalt teeninud. 2004. a. osutas mulle asjalikku abi Toomas Pung TÜ ajaloo muuseumist. 2005-06 hakkas füüsika-keemiateaduskonna dekanaadi juhataja Virge Anso valminud peatükke oma arvutisse koondama, lisas täiendavaid tekstilõike, vormistas sisukorra ja parandas hulga trükivigu. Umbes samal ajal tõi värskeid mõtteid kaasa Eduard Feldbach füüsikainstituudist. 2007-08 valmisid minu jaoks väga olulised IX ja X peatükk. Palusin neid retsenseerida füüsikainstituudi teoreetikutel. IX peatüki juures rõõmustas mind Piret Kuusk, tema hoog ja soov käsikirja paremaks teha. X peatüki kiitis heaks ja andis sellele tunnustuse Imbi Tehver koos kolleegidega.

Siis minu jõud rauges. Üsna poolikuks jäi siinne ajalooline sissejuhatus, viimasest peatükist sai valmis vaid esialgne visand kosmilise kiirguse avastamisloost. Piret Kuuse ja TÜFI õppedirektori Kaido Reivelti initsiatiivil sai käsikiri rahastuse eestikeelsete kõrgkooliõpikute konkursi kaudu ja 2012. a. pidin esitama valmis käsikirja. Lõplikult viimistles seda Piret Kuusk, kes võimaluste piires kontrollis ka faktilisi andmeid, eriti aga aastaarve ja nimede õigekirja.

Tartu, 5. juuni 2012

Sisukord linkidena Ivar Piiri e-õpikule

Loodusfilosoofia ja täppisteaduste elemendid vanades antiikkultuurides

Vanade idamaade täppisteaduslik kultuur

Antiik-kreeka varasem loodusfilosoofia

Platoni ja Aristotelese ajastu

Hellenismi ehk aleksandria periood (3.-1. sajand e.m.a.)

Rooma maailmariik ja antiikteaduse seisak (1. saj. e.m.a. - 5. saj. m.a.j.)

Füüsika ja reaalteadused keskajal (6.-14. sajand)

Varakeskaeg Euroopas (6.-10. sajand)

Teadus Araabia kalifaadis

Hiliskeskaeg Euroopas (11.-14. sajand)

Renessanss ja teadusliku revolutsiooni algus

Renessanss, teaduse ja praktika esmased seosed

Mikołaj Kopernik ja heliotsentriline süsteem

Eksperimentaalse meetodi kujunemine

Galileo Galilei ja tema füüsika

Johannes Kepler - heliotsentrilise süsteemi korrektne kinemaatika

Uus filosoofia ja teaduslik meetod

Mehaanika areng Galileo Galileist Isaac Newtonini

Avastused optikas

Magnetismi- ja elektriõpetuse alged

Isaac Newton ja klassikalise füüsika algus

Isaac Newtoni elu ja looming

Isaac Newtoni „Loodusfilosoofia matemaatilised printsiibid“

18. sajand: Newtoni fenomenoloogilise meetodi juurdumine ja edasiarendamine

Ajastu üldiseloomustus

Mehaanika 18. sajandil

Optika 18. sajandil

Termomeetria ja soojusõpetus

Elektriõpetus 18. sajandil

19. sajand: klassikalise füüsika õitseng ja suur süntees

Ajastu üldiseloomustus

Augustin-Jean Fresneli laineoptikast spektraalanalüüsini

Mehaanika arengujooni

Soojusõpetusest termodünaamikasse

Füüsikaline atomistika ja statistiline füüsika

Elektri- ja magnetismiõpetus sajandi esimesel poolel. Michael Fraday ja tema väljakontseptsioon

James Clerk Maxwelli elektromagnetvälja teooria ja selle rakendusi

Klassikalise füüsika kriis ja uued kontseptsioonid füüsikas

19. sajandi lõpu ja 20. sajandi esimese kolmandiku üldiseloomustus

Aatomifüüsika esimesed avastused

Max Planck ja kvantfüüsika algus

Aatomifüüsika algus

Relatiivsusteooria tekke- ja arengulugu

Erirelatiivsusteooria eellugu

Albert Einstein ja erirelatiivsusteooria

Üldrelatiivsusteooria loomine ja areng

Kvantmehaanika tekke- ja arengulugu

Werner Heisenbergi maatriksmehaanika

Lainemehaanika tekkelugu

Ühtse kvantmehaanika kujunemine

Horisont avardub

Aatomituumade ja elementaarosakeste füüsika

Sissejuhatus

Tuumafüüsika ja kõrgete energiate füüsika algus

Elektronõrga vastastikmõju kvantteooria

Kvargid ja gluuonid

Osakeste vastastikmõjude standardmudel

1

2018-03-03