Enamik kaasaja teaduste juuri ulatub kaugesse antiikaega. Ka füüsika on alguse saanud Vana-Kreeka filosoofide töödest. Sõna füüsika tuleb kreekakeelsest sõnast φυσικός [fisikos], mis tähendab looduslikku või loomulikku. Nimetus viitab, et tegemist on loodusteadusega. Loodusteadusi teame peale füüsika teisigi. Ent mille poolest erineb füüsika keemiast, bioloogiast või geograafiast? Kuidas on ta nendega seotud? Mis on füüsika põhiolemus? Kuidas me üldse saame oma teadmised loodusest?

Õpik, mille äsja üheskoos avasime, eeldab, et selle kasutajal on juba olemas mingi kogemus füüsikaga. Veidi puutusime füüsikaga kokku juba algkooli ja 7. klassi loodusõpetuse tundides. 8. ja 9. klassis aga läbisime esimese ringi süstemaatilist füüsikaõpet. Saime teada, et füüsika uurib looduse kõige üldisemaid ja põhilisemaid seaduspärasusi. Põhikooli füüsikakursustes alustasime uut teemat enamasti asjakohaste näidetega tavaelust ja tegime suhteliselt lihtsaid katseid. Seejärel püüdsime tulemusi lühidalt kokku võtta, kasutades füüsika keele oskussõnu ehk füüsikaliste nähtuste, suuruste ja nende mõõtühikute nimetusi. Selgus, et füüsikalistel suurustel ja mõõtühikutel on olemas kindlad tähised – vastavate ladinakeelsete sõnade esitähed. Suuruste tähiste abil kirja pandud füüsikalise sisuga lauseid nimetatati füüsika valemiteks. Neid tuli kasutada füüsikaliste arvutusülesannete lahendamisel. 

Põhikooli füüsikaõppe sihiks oli anda õpilastele tavaelus toimetulemiseks vajalikke teadmisi ja oskusi. Seejuures vaadeldi ühekaupa füüsikalise looduskäsitluse üksikuid, suurema praktilise väärtusega osi (liikumisõpetus, valgusõpetus, elektri­õpetus, soojusõpetus) ning veel ei seatud eesmärgiks neist tervikpildi kujundamist.

Gümnaasiumi füüsikaõpe aga ei saa selliste eesmärkidega piirduda. Gümnaasium valmistab noori ette õpinguteks kõrgkoolis. Gümnaasiumi lõpetajalt oodatakse juba mingilgi määral tervikliku maailmapildi olemasolu. Eeldatakse, et ta oskab eristada olulist teavet ebaolulisest ja teaduslikku väidet ebateaduslikust. Temalt oodatakse, et ta suudab eraldada meid tänapäeval ümbritsevast infomerest just konkreetse probleemi lahendamiseks vajalikku infot. Seetõttu peavad gümnaasiumi füüsika­kursused andma süsteemse ülevaate kõigest olulisest, mida kaasaegne füüsika looduse kohta üldse väita suudab. Meil tuleb harjuda sellega, et juba gümnaasiumi esimeses füüsikakursuses formuleeritakse peamised füüsikalised printsiibid ehk kõige üldisemad tõdemused looduse kohta. Printsiipide tõestamist kohe pärast nende sõnastamist eesmärgiks ei seata. Printsiipide paikapidavust tõestab asjaolu, et loodust vaadeldes me veendume ikka ja jälle nende kehtivuses ning ei näe mitte kusagil erandeid printsiipidest.

Füüsika õppimist gümnaasiumis alustame kokkuvõtliku ülevaatega põhifaktidest, millele tugineb kaasaegne füüsikaline maailmapilt. Need on koondatud käesoleva kursuse kolme esimesse peatükki. Püüame üheskoos mõista, mis on loodus, millega tegeleb füüsika ja mille poolest eristub füüsika teistest loodusteadustest. Füüsikaliste mõistete sisu üritame kõigepealt avada tavakeele sõnadega. Alles viimases peatükis hakkame süstemaatiliselt kasutama füüsika keelt.

Mida öelda siinkohal lõpetuseks? Gümnaasiumi füüsikaõpe on olnud edukas, kui me selle lõpul mõistame, et füüsika ei ole kõigest veidrate sõnade ja märkide süsteem. Vastupidi, füüsika on üks tähtsamaid vahendeid selleks, et end meie maailmas koduselt tunda. Kui füüsikaga ei tegeldaks, siis poleks ka olemas kogu kaasaegset tehnoloogiat ning selle loodud hüvesid. See, et Eestis tegeldakse füüsikaga ja õpetatakse füüsikat, annab Eesti elanikele võimaluse kuuluda nende väga väheste hulka, kes loovad uusi tehnoloogiaid ning kellele ülejäänud osa inimkonnast vastavate hüvede kasutamise eest maksab. 

Kui meenutada, mida koolis on loodusainetes juba varem õpetatud, võib üldistades öelda, et õpetatud on seda, mis on seotud meid ümbritsevaga. Meid ümbritsevat nimetatakse tihti maailmaks.

Maailm on lai mõiste. Seda sõna kasutatakse vägagi erinevates tähendustes. Maailmaks võib pidada planeeti Maa koos tema elanikega, ainult inimkonda või kogu universumit. Kui universum on kujuteldamatult suur, siis võib maailm olla ka hoopis pisike – näiteks väikest veetilka seal elutsevate bakteritega ja aatomi sisemust nimetatakse tihti mikromaailmaks. On maailmu, kuhu võivad kuuluda inimesed, aga ka selliseid, mida ilma inimesteta üldse olla ei saa. Ajaloo, kultuuri ja eluviisi järgi jagatakse riigid vanaks, uueks ja kolmandaks maailmaks. Veel räägitakse inimese sisemaailmast ja hauatagusest maailmast. Samuti vee-, taime- ja loomamaailmast, arvutimaailmast ja isegi mänguasjade kauplusest Laste Maailm.

Maailma mõiste alla saab paigutada kõik, mis olemas on, meie ise oma mõtete ja harjumustega kaasa arvatud. Ühe konkreetse maailma tunnuseks on see, et selle koostisosadel on alati midagi ühist, mis neid seob.

Füüsikas me hakkame edaspidi nimetama maailmaks kõike, mis ümbritseb mistahes konkreetset inimest samamoodi nagu kõiki teisi inimesi. Seega jäävad vaatluse alt välja inimese mõttemaailm, tundemaailm ja muud sellised maailmad. Valdava osa inimeste usk määratletud välismaailma objektiivsesse ehk inimesest sõltumatu olemasolusse põhinebki sellel, et kõik tervete meeleelunditega inimesed saavad nende elundite abil maailma kohta põhijoontes ühesugust infot. Täheldame ka, et rangelt võttes on igal inimesel oma maailm ja kõik teised inimesed on ühe konkreetse inimese maailma osad.

Maailmapildiks on kombeks nimetada teadmiste süsteemi, mille abil inimene tunnetab teda ümbritsevat maailma ja suhestab end sellega. Maailmapilt on kogu süstematiseeritud info, mida inimene maailma kohta omab. Võib rääkida ka suure inimgrupi või inimkonna kui terviku kollektiivsest maailmapildist, mis on kõigi antud gruppi kuuluvate inimeste maailmapiltide koondvariant. Kui soovitakse rõhutada maailmapilti moodustava info saamise ühesuguseid ehk universaalseid füüsikalisi meetodeid, siis kasutatakse sageli maailmaga samas tähenduses mõistet universum. Pole midagi füüsikaliselt uuritavat, mis jääks väljapoole universumit.

Vaatame kõikvõimalikele maailmadele füüsika seisukohalt. Füüsika ei uuri inimese mõttemaailma. Mõttemaailm eksisteerib vaid inimese teadvuses ega ole reaalne. See on välja mõeldud ja sõltub inimesest. Füüsika uurib näiteks taevakehade liikumist, jää sulamist ja valguse murdumist. Füüsika uurib seda, mis eksisteerib inimese teadvusest sõltumatult.

Kõike seda, mis on väljaspool teadvust ja sellest sõltumatult reaalselt olemas, nimetatakse looduseks ehk materiaalseks maailmaks. Teadvus ei kuulu loodusesse, küll aga inimene kui bioloogiline objekt. Samuti kuuluvad loodusesse inimese loodud ehitised, tehismaterjalid, kosmoseaparaadid, saasteained jne. Kuid muu inimtegevusega seotu, nagu poliitika, kunst, sõjandus, religioon, psüühika, sotsiaalsed protsessid jms ei kuulu loodusesse.

Ülaltoodu põhjal saame öelda, et kogu maailmast uurib füüsika seda osa, mida võime looduseks nimetada. Füüsikaliseks maailmaks on loodus.

Looduses esineb tasemeline struktureeritus. Igal kindlal struktuuritasemel toimuvaid nähtusi võib seletada sellel tasemel oluliste seadus­pärasuste abil ja see ei sõltu kuigivõrd teistele struktuuritasemetele iseloomulikest nähtustest. Näiteks seletavad gümnaasiumi mehaanika kursuses käsitletavad Newtoni seadused ja gravitatsiooniseadus väga hästi päikesesüsteemi komponentide (planeetide, asteroidide, komeetide jne) liikumist. Seejuures pole üldse olulised elektromagnetismi kursuses uuritavad elektrijõud, mille vahendusel aineosakesed moodustavad kehi. Ammugi pole päikesesüsteemi toimimise mõistmiseks vaja teada näiteks bioloogias kehtivaid pärilikkuse seadusi. Erinevad loodusteadused tegelevad looduse erinevate struktuuritasemetega.

Väga väiksed uurimisobjektid tähendavad tihti väga suuri seadmeid. Sellele pildile on jäänud Tartu ülikooli füüsika instituudis asuv elektronmikroskoop, millega on võimalik uurida objekte mõõtmetega kuni 0,09 nanomeetrit.	Looduse struktuuritasemed ning neile tasemetele iseloomulikud objektid.

Joonisel 1.1 on esitatud looduse struktuuritasemete skeem, mille vasakpoolses ääres suureneb alt üles uuritava loodusobjekti iseloomulik ehk karakteristlik mõõde (pikkus või laius), skeemi keskosas on aga toodud näiteid tüüpilisest vaadeldavast objektist. Kolmandas veerus on märgitud vaadeldava struktuuritasemega kõige rohkem tegelev loodusteadus: füüsika, geograafia, bioloogia või keemia. Mõistagi on see kõige rohkem üpris tinglik, sest näiteks keemia ning bioloogia piirmiste harude uurimisobjektide mõõde (1–100 nm) on ligikaudu ühesugune. Seega kattuvad erinevate loodusteaduste tegevusväljad üpriski suurelt. Näiteks mingi uurimistöö liigitumine kas bioloogiaks või keemiaks sõltub eelkõige sellest, kas kasutatakse bioloogia või keemia teaduskeelt (mõistetesüsteemi). Skeem pakub meile ka hea võimaluse õppida või korrata mõõtühikute eesliidete süsteemi (kilo-, mega-, giga- jne). 

Loodusteadused on koondnimetus kõigile teadustele, mis annavad loodusnähtustele teaduslikke kirjeldusi ja seletusi ning ennustavad uusi loodusnähtusi. Sõna teaduslik viitab meie poolt juba põhikoolis õpitud loodusteadusliku meetodi järjekindlale kasutamisele. Selle kohaselt esmase vaatluse (andmete kogumise) järel püstitatakse hüpotees (oletus, kuidas asi võiks olla), seejärel korraldatakse hüpoteesi kontrollimiseks eksperiment (või sihipärane vaatlus), viiakse läbi andmetöötlus ja lõpuks tehakse järeldus hüpoteesi kehtivuse või mittekehtivuse kohta.

Loodusainetest õpetatakse koolis lisaks füüsikale geograafiat, bioloogiat ja keemiat. Geograafia on loodusteadus, mis uurib Maa pinda ja sellel toimuvaid protsesse. Geograafiat huvitavates loodusnähtustes osalevad objektid karakteristliku mõõtmega 1 m (inimene) kuni 1000 km (maailmajaod). Geograafia osaks loetakse ka geoloogiat. Bioloogia on loodusteadus, mis käsitleb elusas looduses kehtivaid seaduspärasusi. Bioloogia tegevusvaldkond looduse struktuuritasemete skeemil ulatub bioloogilist infot kandvatest molekulidest (DNA) kuni looma- ja taimekooslusteni välja. Skeemil on valitud bioloogia uurimisobjekti mõõtmete tinglikuks vahemikuks 1 mm kuni 10 m, ehkki ökosüsteemid võivad osutuda veel palju suuremaks. Keemia on loodusteadus, mis uurib ainete omavahelisi muundumisi ja sidet aatomite vahel. Keemia tinglik spetsiifiline tegevusala struktuuritasemete skeemil ulatub aatomi läbimõõdust (0,1 nm) kuni suure molekuli mõõtmeni (100 nm).

Geograafia, bioloogia ja keemia uurivad igaüks looduses mingit kitsamat valdkonda, füüsika aga looduse kõige üldisemaid seaduspärasusi. Füüsika on loodusteadus, mis uurib looduse põhivormide liikumist ja looduses esinevaid vastastikmõjusid. Füüsika opereerib kõigil looduse struktuuritasemetel, alates alusosakestest kuni universumini tervikuna, kuid delegeerib probleemi sageli mõnele teisele loodusteadusele, mille uurimismeetodid on antud tasemel sobivamad. Kõik loodusteadused, eriti füüsika, püüavad opereerida eelistatult arvuliste andmetega ning kasutades andmete töötlemisel ja oma mudelite kirjeldamisel matemaatikat. Kõige rohkem on see seni õnnestunud füüsikal. Seepärast pole liialdus öelda, et füüsika uurib looduse põhivorme (ainet ja välja) täppisteaduslike meetoditega. Loodusteaduste vajadus matemaatika järele on erinev. Füüsikat eristab teistest loodusteadustest kõigepealt matemaatiliste meetodite kõige ulatuslikum rakendamine. 

Füüsika käsitleb füüsikalisi objekte. Üldiselt on objekt see ese või nähtus, millega meie (inimesed) parajasti tegeleme. Füüsikalisteks objektideks on eelkõige esemed (füüsikas öeldakse – kehad) ja kõige üldisemad looduse nähtused (sulamine, aurustumine, laetud kehade tõmbumine või tõukumine jne). Kehade vastastikmõjusid (tõmbumist või tõukumist) vahendavad väljad on samuti füüsikalised objektid. Tuntuimateks näideteks väljade kohta on elektriväli ja magnetväli, millega oleme põhikoolis juba natuke tutvunud. 

Loodus on väga mitmekesine, mistõttu uuritava objekti kõigi omaduste samaaegne arvestamine on üldjuhul võimatu ja sageli ka mitte­vajalik. Seepärast kasutavad teadlased reaalsete objektide asemel lihtsustatud mõttelisi objekte, mida nimetatakse füüsikalisteks mudeliteks. Füüsikaline mudel rõhutab loodusobjekti neid omadusi, mis on olulised kirjeldatavas olukorras.

Füüsika üks eesmärke on luua loodusest kõige üldisemaid mudeleid. Pildil on Maa, Kuu, Merkuuri ja Päikse planetaarmudel, mis annab edasi olulisema informatsiooni nimetatud planeetide liikumise kohta.	Füüsikaliste objektide lihtsustatud mudeleid leiab näiteks arvutisimulatsioonides. Selles simulatsioonis jäetakse arvestamata terve hulk pendli liikumist mõjutavaid faktoreid.

Füüsika kasutab erilist keelt, milles esinevad väga kindla tähendusega sõnad ning märgid – füüsikalised suurused, nende mõõtühikud ja nii suuruste kui ka mõõtühikute tähised. Füüsikalised suurused ja mõõtühikud moodustavad süsteemi, milles mõned suurused ja ühikud on valitud vastavalt põhisuurusteks ja põhiühikuteks. Põhisuurustest võime tuletada kõik teised suurused.

Füüsikaliste suuruste omavahelise seose kohta kehtivaid lauseid, mis on kirja pandud tähiste abil, tunneme füüsika valemitena. Valemite kasutamine võimaldab meil oma mõtteid lühemalt kirja panna.

Füüsikalised suurused ning nende mõõtühikud on samuti looduse mudelid. Kui me näiteks mõõdame koolilaua pikkust, siis ei huvita meid parajasti laua laius või kõrgus, rääkimata lauapinna värvusest või materjalist. Nii saame looduse ühe lihtsaima mudelina füüsikalise suuruse nimega pikkus, aga põhimõtteliselt samamoodi ka teised füüsikalised suurused. Füüsika erineb teistest loodusteadustest selle poolest, et ta annab neile füüsikaliste suurustena kasutada looduse kõige üldisemad mudelid. Vastupidist me eriti ei tähelda, sest teiste loodusteaduste mudelid ei ole reeglina füüsikale vajalikul määral üldkehtivad. 

Füüsika kolmandat peamist erinevust teistest loodusteadustest oleme juba maininud. See on hästi näha looduse struktuuritasemete skeemilt (joonis 1.1). Kui bioloogia võib struktuuritaseme mõõtme vähenemise käigus oma probleemi edasi suunata keemiale ning keemia omakorda füüsikale, siis füüsikal pole probleemi enam kuhugi suunata. Bioloogia ei pea seletama, miks aatomid biomolekulides on seotud just sellel või teisel viisil. Sideme probleemidega tegeleb keemia. Samas ei pea keemia seletama, miks aatomid omavad just selliseid mõõtmeid või miks aatomi kõige sisemises elektronkihis ei saa olla üle kahe elektroni. Neile küsimustele vastab füüsika. Füüsika seletab ära nii aatomi, selle tuuma kui ka tuumaosakeste siseehituse.

Analoogiliselt võib geograafia probleemi mõõtme suurenemisel pöörduda abi saamiseks füüsika poole. Näiteks nendib geograafia fakti, et inimeste kasutatava ajaarvestuse aluseks on Maa ja Kuu perioodiline liikumine, aga millised need liikumised täpselt on ja kuidas nad kajastuvad kalendris, see on juba füüsika teema. Füüsika seletab päikesesüsteemi komponentide liikumist ja teket, kuid ei suuda praegu veel anda kõikehõlmavat vastust küsimusele, miks ikkagi universum tervikuna kiirenevalt paisub. Pole ka olemas ühtegi teist loodusteadust, millele füüsika saaks selle probleemi edasi suunata. Füüsika tegeleb ka looduse äärmiste, kõige pisemate struktuuritasemetega. See eristab füüsikat kõige selgemini teistest loodusteadustest. 

Biofüüsika tegeleb bioloogiliste objektide uurimisega, kasutades füüsikalisi meetodeid. Pildi alumises osas on kujutatud LH2 molekulide kompleks, mida uurides biofüüsikud üritavad mõista, kuidas toimub looduses fotosüntees.	Millist kaamerat valida? Kooskõlalise füüsikalise maailmapildi olemasolu aitab otsust teha.

Füüsika peamised erinevused teis­test loodusteadustest:

1. füüsikale on omane täppisteaduslike (matemaatiliste) meetodite kõige ulatuslikum rakendamine;

2. füüsika tekitab looduse kõige üldisemad mudelid (füüsikalised suurused ja nende mõõtühikud), kõik teised loodusteadused kasutavad neid;

3. füüsika tegevusala hõlmab kogu loodusobjektide mõõt­mete skaalat. Füüsika tegeleb kõige suuremate ja ka kõige väiksemate loodusobjektidega. 

Käesoleva teema lõpetuseks märkigem, et füüsikaline maailmapilt, mida me endil gümnaasiumi füüsikaõppe käigus kujundama asume, on kas ühe inimese või kogu inimühiskonna arengu mingile kindlale perioodile iseloomulik ettekujutus maailma (looduse) koostisosadest ja nendevahelistest seostest kui füüsikalistest objektidest.

Füüsika uurib ja kirjeldab reaalset, olemasolevat loodust. Tegemist on täppisteadusega ehk eksaktse teadusega, kuna uuritava kirjeldamiseks kasutatakse arve ja andmetöötluseks matemaatika meetodeid.

Kuidas aga saab inimene teavet uuritava looduse kohta? Kogemuse teel. Me tunneme, tajume looduses toimuvat oma meelte abil ning pärast seda, kui aju on töödelnud saadud infot, jõuab toimunu kogemusena meie teadvusesse. Seega on füüsika kogemuslik ehk empiiriline (kr ἐμπειρος 'kogenud') teadus.

Füüsika on selle poolest eriline teadus, et tegemist on ühekorraga nii empiirilise kui ka eksaktse teadusega. Füüsika kirjeldab reaalselt olemasolevaid objekte ning nähtusi, saab nende kohta kogemuslikku infot, iseloomustab neid arvude abil ning töötleb andmeid matemaatiliste meetoditega. Ajalugu on põhiliselt empiiriline teadus, mille täppisteaduslik osa on tühine. Matemaatika puhul on tegemist aga puhta täppisteadusega. Empiirilisusest ei saa siin juttu olla, kuna tegeletakse mitte reaalse looduse, vaid ainult väljamõeldud objektidega.

Kogemuslikku teavet looduse kohta saab vaatlemise teel. Selleks peab olemas olema inimesest vaatleja. Inimesest sõltumatut füüsikat pole olemas. Inimene on looduse vaatleja, kes saab infot looduse kohta oma meeleorganite vahendusel ning füüsika on tema vaatluste üldistus.

Selleks, et vaatleja saaks loodusest füüsikale vajalikku infot, peavad tal olema:

• meeled (võime saada aistinguid – nägemine, kuulmine, haistmine, maitsmine, kompimine);
• mälu (võime infot salvestada ja seda kasutada);
• mõistus (võime loogilisi järeldusi teha).

Kui vaatleja ei saaks aistinguid, siis poleks tal üldse mingit infot maailmapildi kujundamiseks, sest tema enda vahetute loodusvaatluste tulemused on aistingulised ning igasugune info edastamine ühelt inimeselt teisele saab samuti teoks meeleelundite (peamiselt kuulmise ja nägemise) vahendusel. 

Kui vaatlejal puuduks mälu, siis ei saaks tal üldse tekkida meelelise tunnetuse keerulisemaid vorme (tajusid ja kujutlusi), sest kogu töödeldav info välismaailma kohta ei saabu vaatleja teadvusesse korraga. Mingi osa infost tuleb vältimatult vahepeal salvestada. Ilma mäluta poleks võimalik ka mõtlemine, sest seoseid saab konstrueerida vaid mälus säilitatavate mõttekujundite vahel. 

Kui vaatlejal puuduks mõistus (mõtlemisvõime), siis poleks ta suuteline tekitatud terviklikke mõttekujundeid liigitama ega omavahel seostama. Sellisel vaatlejal saaksid olla vaid otseselt aistingutest tulenevad kujutlused. Ta ei suudaks püstitada hüpoteese ega neid kontrollida.

Uurime nüüd detailsemalt füüsikalist käsitlust aistingulise info saamise kohta vaatleja poolt. Füüsikas tavatsetakse nimetada sündmuseks ükskõik mida, mis toimub maailmas kindlal ajal ja kindlas kohas. Füüsikutel on kombeks öelda, et iga sündmus omab kindlaid aegruumilisi koordinaate. Lihtsaimad näited sündmustest on terava heli tekkimine noa või kahvli kukkumisel põrandale või siis välklambi sähvatus.

Signaaliks nimetatakse sündmust kirjeldava info jõudmist vaatleja närviraku ehk retseptorini mingi füüsikalise nähtuse vahendusel, milleks äsja toodud näidetes on kas mehaaniline helilaine või elektromagnetiline valguslaine. Seda protsessi võivad komplitseerida signaali moonutavad sündmused, näiteks valguslainete levikusuuna muutumine kahe keskkonna lahutuspinnal, mille tulemusena veeklaasis paiknev lusikas näib vaatlejale pooleksmurtuna. Reeglina ei suuda vaatleja vaid aistingute abil tuvastada signaali moonutava sündmuse esinemist. Ta on sunnitud rakendama ka mälu ning mõistust. Info toimunud sündmuse kohta läheb retseptorist närvirakkude erilise elektrilise seisundi levimise teel ajuni, kus tekib sündmust peegel­dav aisting. Erinevatest meeleorganitest pärinevate aistingute põhjal tekib ajus sündmusest või sündmuste ahelast terviklik taju. Seejärel kasutab aju mälus säilitatavaid varasemaid sellelaadseid aistinguid ja tajusid, rakendab mõistust ning lõpptulemusena tekib vaatleja teadvuses maailma sündmusest või objektist tervik­lik kujutlus ehk visioon. Füüsika koosneb eri indiviidide tekitatud ja omavahel kooskõlastatud kujutlustest. Füüsika on looduse peegeldus vaatleja kujutlustes. See on vist ka lühim võimalik füüsika definitsioon.

Kui vaatlejal on tekkinud piisavalt palju kujutlusi, saab ta mälu ja mõistust appi võttes konstrueerida selliseid uusi kujutlusi, mida ta veel looduses kogenud ei pole. Tegemist on oletustega, mida nimetatakse hüpoteesideks. Vaatlejal on sageli võimalik hüpoteesi kontrollida. Selleks tuleb loodust niimoodi mõjutada, et oletatavad sündmused tegelikult toimuksid. Seda nimetatakse katseks ehk eksperimendiks. Katse kas kinnitab hüpoteesi või lükkab selle ümber.

Lasereid kasutatakse füüsikas põhiliselt selleks,et mõjutada katseobjekte valgusega millel on väga täpselt määratletud omadused. Selliseid eksperimente ei tehta huupi, vaid neis kontrollitakse varem püstitatud hüpoteese.	Kosmoseteleskoop Hubble [loe: habbl] on Maa atmosfääri segavatest mõjudest vaba. See on võimaldanud uurida süvakosmose objekte, mis varem olid täiesti kättesaamatud.

Vaatluste ja katsete käigus kogutud andmete töötlemisel saab teha üldistusi ning avastada seaduspärasusi, mida varem ei tuntud, vajadusel saab hüpoteesi täpsustada ja seda siis uuesti kontrollida. Seda korratakse, kuni lahendus on leitud ning uusi teadmisi võib hakata kasutama igapäevaelus.

Lõpetuseks võime loodusteadusliku meetodi kirjelduse kokku võtta jadaga: esmane vaatlus → hüpotees → eksperiment (või sihipärane vaatlus) → andmetöötlus → järeldus → hüpoteesi täpsustamine → uus eksperiment → uue teadmise rakendamine ja nii ikka edasi.

Iga üksiku vaatleja kujutlused vastavad just tema poolt kogetule. Inimesed saavad erinevaid aistinguid ja ka tekkivad kujutlused võivad olla erinevad. Samas on loodus siiski reaalselt olemas, on olemas kehad ja vastastikmõjud nende vahel. Füüsika on paljude vaatlejate ühine loodust peegeldavate kujutluste süsteem.

Geograafias oleme juba õppinud mõistet horisont. See on joon, mis vaatleja jaoks lahutab taevast maast või merest.

Vaatlejast kaugemal paiknevad punktid jäävad Maa kerakujulisuse tõttu horisondi taha. Vaatleja ei saa neid punkte näha, kuna neist tulev ja õhus kui ühtlases keskkonnas sirgjooneliselt leviv valgus ei jõua enam vaatleja silma. Sellisena tunneb inimkond horisondi mõistet juba väga ammu, sest purjelaevade ajastul oli lihtne märgata läheneva laeva purjesid, mis kõigepealt horisondi tagant nähtavale ilmusid. Alles siis, kui laev oli tervikuna horisondini jõudnud, oli võimalik näha ka laeva keret ning tekiehitisi. Selle kursuse kontekstis me ei kasuta mõistet horisont selle sõna geograafilises tähenduses, kuna horisondi ristumine vertikaalsihiga pole meie jaoks tähtis. Horisondi meie jaoks oluline tunnus on vaid see, et meil pole veel infot horisondi taha jäävate füüsikaliste objektide kohta. Kuna nägemismeel on meie peamine aistinguline vahend füüsikalise info saamisel looduse kohta, siis hakkame kasutama mõistet nähtavushorisont, eristamaks meile vajalikku tähendust puhtgeograafilisest. 

Nähtavushorisondiks nimetame piiri, kuni milleni vaatlejal või inimkonnal tervikuna on olemas eksperimentaalselt kontrollitud teadmised füüsikaliste objektide kohta. Inimese isikliku nähtavushorisondi taha võivad jääda need loodusobjektid, millega tutvumiseni ta pole oma isiklikus arengus veel jõudnud. Võib öelda, et neid objekte pole tema jaoks veel olemas. Inimkonna kui terviku nähtavushorisondi taha jäävad füüsikalised objektid enamasti sellepärast, et pole veel olemas vahendeid kas nii väikeste või nii suurte objektide vaatlemiseks. Seega me kasutame nähtavushorisondi mõistet eelkõige loodusobjektide mõõtmete skaala (joonis 1.1) kontekstis. Objekt jääb nähtavushorisondi taha mitte lihtsa teadmiste puudumise tõttu (juhtumisi pole seda asja veel uuritud), vaid vaatlusvahendite ebatäiuslikkuse tulemusena. Kuna nii üksiku indiviidi kui ka kogu inimkonna maailmapilt pidevalt areneb, siis sõltuvad mõlemal juhul nähtavushorisontide asukohad looduse struktuuritasemete skaalal ajast. 

Kõigepealt ilmub horisondile laeva taglas, alles siis kere.	Hubble'i teleskoop viis teadlaste kosmosevaatlused uuele tasemele. Muu hulgas avanes võimalus pildistada tähti ümbritsevat tolmu. Pildil on Kassisilma udukogu katalooginimega NGC 6543.

Mõnekuune laps asub maailma tundmaõppimisel kompama oma keha, lelusid, voodipiiret ja lutipudelit, saades nii esimesed päris oma aistingud. Laps raputab oma mänguasja, mispeale selle sisse paigutatud plastkuulikesed toovad kuuldavale erutavat heli. Õige pea teeb laps esimese katse mänguasja purustada eesmärgiga teada saada, mis see küll on, mis lelu raputamisel nii põnevat häält teeb. Me võime öelda, et laps on asunud liikuma sisemise nähtavushorisondi poole. Ta on esitanud küsimuse: mis on need veel väikse­mad asjad, millest koosneb minu käes olev ese? 

Põhimõtteliselt sama küsimusega tegeleb terve inimkond kogu oma eksistentsi vältel. Inimkonna peamiseks vahendiks selles tegevuses on füüsika koos oma teooriate ja eksperimentaalseadmetega. Kuni suurendusklaaside (luupide) kasutuselevõtuni said katselised kinnitused palja silmaga nähtamatute objektide mõõtmete kohta olla vaid kaudsed. Näiteks oli võimalik õli vähimate osakeste mõõtmeid hinnata selle õlilaigu pindala põhjal, mis veepinnal moodustus õlitilga sattumisel vette. Mikroskoobi leiutamine 1590. aastal aga võimaldas hakata vahetult nägema objekte mõõtmetega sajandik kuni kümnendik millimeetrit (10–100 µm). 19. sajandi lõpuks oli optilise mikroskoopia areng viinud inimkonna sisemise nähtavushorisondi nähtava valguse keskmise lainepikkuseni (u 0,5 µm). Niisiis, sisemine nähtavushorisont on konkreetse vaatleja või kogu inimkonna teadmiste piir liikumisel piki mõõtmete skaalat üha väiksemate objektide poole, järjestikusel vastamisel küsimusele, mis on selle sees?

Sisemist nähtavushorisonti on palju nihutanud mikroskoopide areng. Pildil on Tartu ülikooli füüsika instituudis asuv skaneeriv elektronmikroskoop.	Skaneeriva elektronmikroskoobi pilt süsinik-nanotorudest.

Füüsik Ernest Rutherford (1871–1937) soovis purustada kulla aatomeid. Ta tegi seda alfaosakeste ehk heeliumi aatomite tuumade abil. Vastavaid katseid kirjeldatakse pikemalt mikro- ja megamaailma füüsika kursuses. Nende katsete tulemusena tegi Rutherford aastal 1906 koos õpilaste Geigeri ja Marsdeniga kindlaks, et kulla aatom koosneb suhteliselt väikese massiga elektronidest, mis liiguvad ümber mõõtmetelt väga väikese, kuid samas väga suure massiga tuuma. Lühidalt öeldes, Rutherford, Geiger ja Marsden avastasid aatomi tuuma. Ernest Rutherford on läinud ajalukku oma lausega „Loodusteadused jagunevad füüsikaks ja margikogumiseks". Olgu see tsitaat siin ära toodud mitte eesmärgiga halvustada teisi loodusteadusi, vaid rõhutamaks füüsika erilist, nähtavushorisonte edasi nihutavat rolli loodusteaduste hulgas. 

Euroopa rahvaste ühiseks vahendiks üritustes tungida kvarkide ja leptonite kui tänapäeval kõige väiksemate teadaolevate osakeste sisemusse, on Euroopa tuuma­uuringute keskuses CERN (Centre européenne pour la recherche nucléaire) paiknev suur hadronite põrgati LHC (Large Hadron Collider). Selgitusena: hadronid on kvarkidest koosnevad osakesed, näiteks prootonid. Kvarke seob hadroniteks tugev vastastikmõju (ingl hard - tugev). Kui see osakeste kiirendi saavutab oma projektvõimsuse, siis peaks tema abil olema võimalik näha objekte tüüpilise mõõtmega 10^–20 meetrit, mis on hetkeseisuga (2014) inimkonna kui terviku sisemiseks nähtavushorisondiks. 

Higgsi bosoni tekkimine ja lagunemine Euroopa tuumauuringute keskuse kiirendi detektoris. Higgsi boson on elementaarosake, mis annab kõikidele teistele osakestele massi. Kollased punktiirjooned kujutavad bosoni lagunemisel tekkinud ülisuure energiaga elektrone.	Universumi kärgstruktuur. Heledamad alad tähistavad galaktikaparvi. Parved on omavahel ühendatud galaktikaahelatega. Ühe kärjesilma läbimõõt on miljardeid valgusaastaid.

Väline nähtavushorisont on vaatleja(te) teadmiste piir liikumisel piki mõõtmete skaalat üha suuremate objektide poole (järjestikusel vastamisel küsimusele, mis on selle taga?). Väikelapse väline nähtavushorisont piirdub esialgu selle toa seintega, kus ta viibib. Veidi hiljem näeb laps ka õue, kuhu ta värsket õhku hingama viiakse. Kui laps õpib rääkima, siis asub ta peagi esitama vanematele küsimusi nende asjade kohta, mis on veelgi kaugemal. Ta küsib: Mis on see veel suurem asi, millesse mulle seni tuntud suured asjad kuuluvad vaid ühe osana? Laps liigub välise nähtavushorisondi poole.

Inimkonna kui terviku väline nähtavushorisont jõudis juba Vana-Kreeka õpetlaste töödega selleni, et esimeses lähenduses määrati Kuu, Päikese ning mõnede lähimate planeetide suurused ning kaugused Maast. Järgmiseks tõsiseks sammuks edasi oli optilise teleskoobi leiutamine 16. sajandi lõpul. See võimaldas avastada planeet Jupiteri kuud ja planeet Saturni rõnga, aga ka seni tundmatu planeet Uraani. 19. sajandi algul hakati tõsiseltvõetava täpsusega määrama tähtede kaugusi Maast ja 20. sajandi algul tehti kindlaks lähimate galaktikate suurused ning kaugused meist. Kaasajal kõige tuntum vaatlusseade, mis on võimaldanud viia inimkonna välise nähtavushorisondi kuni 10²⁵ meetrini, on Hubble’i kosmoseteleskoop.

Loodetavasti oleme juba mõistnud, mis seos on nähtavushorisontidel füüsikaga. Kui me soovime looduse kohta midagi uut teada saada, siis me enamasti nihutame edasi isikliku maailmapildi nähtavushorisonti. Väga sageli me tegeleme seejuures füüsikaga, mõnikord koguni endale sellest aru andmata. Füüsika kui teadus erineb teistest loodusteadustest just selle poolest, et ta määratleb ja nihutab edasi inimkonna kui terviku nähtavushorisonte. Seda ei tee mitte ükski teine loodusteadus. Füüsika formuleerib kõige üldisemaid küsimusi looduse kohta ja ka vastab neile, kui konkreetsel tehnilisel tasemel on üldse võimalik vastata.

Kui me püüame looduse struktuuritasemete skeemil tekitada mingeid põhjendatud alajaotusi, siis kindlasti eristub otsekohe kõigest muust inimesele lähedaste mõõtmetega objektide ehk makrokehade maailm. Makromaailmas kehtivaid füüsikaseadusi võime me uurida nägemismeelega vahetult ilma abivahenditeta hoomatavate katsete abil. Näideteks selliste katsete kohta sobivad pea kõik põhikooli füüsikaõpikus kirjeldatud või tunnis läbi tehtud katsed. Makromaailma moodustavad objektid tüüpilise mõõtmega, mis jääb ühe mikro­meetri (miljondiku meetri) ja ühe megameetri (miljoni meetri) vahele (roheline ala joonisel 1.3). Kuna inimese keha on tüüpiline makromaailma objekt (paikneb vastava mõõtmete vahemiku keskel), siis on makromaailm inimesele kodune ja harjumuspärane. Makromaailmas kehtivad klassikalise füüsika seadused, mida õppisime põhikoolis. Üleüldse tegeles põhikooli füüsikaõpe peaaegu eranditult makromaailma objektidega. 

Gümnaasiumi füüsikakursustes puutume kokku aga ka kahe ülejäänud maailmaga, seda kõige rohkem mikro- ja megamaailma füüsika kursuses. Mikromaailma moodustavad inimesest mõõtmete poolest palju väiksemad objektid. Need on objektid tüüpilise mõõtmega, mis jääb alla ühe mikro­meetri (miljondiku meetri). Megamaailma moodustavad inimesest mõõtmete poolest palju suuremad objektid. Need on objektid tüüpilise mõõtmega, mis on üle ühe mega­meetri (miljoni meetri ehk 1000 kilomeetri). Mikro- ja megamaailmas pole enam rakendatavad kõik makro­maailmas tuntud füüsikaseadused. Mikro- ja megamaailmale on ühine see, et nende maailmade objektid võivad liikuda absoluutkiirusele (valguse kiirusele vaakumis) lähedaste kiirustega. 

Üldiselt on nii, et mida pisemad on uuritavad objektid, seda suuremad ja kallimad on aparaadid, millega neid uuritakse. Pildil on Jaapanis Kamioka mäe all asuv neutriinodetektor Super-Kamiokande, milles saab nagu järvel kummipaadiga ringi sõita. Kalade asemel on detektori ülipuhtas vees fotodetektorid.	Kosmiliste objektide kuju sõltub massist. Mida massiivsem objekt, seda ümaram see gravitatsioonilise mõju tõttu on. Kergemad objektid on seevastu elektromagnetilise mõju domineerimisest tingituna ebakorrapärasemad. Pildil on asteroid 21 Lutetia, mille läbimõõt on ligikaudu 100 km.

Kui miskit äsja lõppenud peatükis Sulle arusaamatuks jäi, siis ei ole põhjust meelt heita - järgnevates peatükkides võetakse needsamad teemad uuesti ette, veidi rahulikumalt, veidi põhjalikumalt.