Ihminen on poikkeuksellinen eläin. Tiedostamme sekä itsemme että ympäristönsä olemassaolon ja uteliaisuus ajaa meidät kysymään miten asiat toimivat ja mikä siihen voisi olla syynä. Tähän saattaa vielä pystyä joku muukin eläin, mutta poikkeuksellisiksi meidät tekee se, että olemme oppineet löytämään näihin kysymyksiin vastauksia. Luonnollinen ajatus on lähteä kokeilemaan: Tiputetaan kivi toisen (kiven tai ihmisen) päälle ja katsotaan mitä tapahtuu. Tiede on kehittynyt tästä prosessista sen systematisoituessa.

Yksittäisiä tapahtumia kiinnostavampaa on usein erilaisten systeemien yleinen käyttäytyminen, sillä niitä ymmärtämällä voidaan tehdä hyödyllisiä ennusteita tulevaisuutta varten. Tiede on systemaattinen tapa tutkia miten asiat toimivat ja parhaimmillaan se pystyy sekä selittämään miksi joissakin olosuhteissa tiettyjä asioita tapahtuu että ennustamaan mitä samanlaisissa olosuhteissa tulevaisuudessa tulee todennäköisesti tapahtumaan. Tiede (ja aivan erityisesti luonnontiede) tutkii siis syitä ja seurauksia.

(Tässä yhteydessä "miksi" viittaa syy/seuraus-suhteen syyhyn, ei moraaliseen syyhyn tai intentioon.)

Humanistiset tieteet, eli ihmistieteet, katsovat sisäänpäin ja tutkivat miten ihmiset ja ihmisjoukot toimivat ja käyttäytyvät. Luonnontieteet katsovat ulospäin ja tutkivat miten luonto toimii. Luonnontieteitä ovat esimerkiksi biologia, maantiede, kemia ja fysiikka. Niiden tarkastelukohteet ovat erilaisia ja tästä johtuen myös tutkimusmenetelmät eroavat toisistaan merkittävästi. Yhteistä kaikille on kuitenkin tieteellinen metodi, jossa kokemusperäistä tietoa kerätään systemaattisesti ja yritetään selittää sitä tilanteeseen parhaiten sopivilla malleilla.

Luonnontieteille ominainen lähtökohta on tiedon objektiivisuus. Minä näen saman Kuun kuin sinä ja niin näkevät kaikki muutkin. Lisäksi Kuun olemassaolo ei riipu siitä olemmeko me sitä näkemässä. Toisenlaisiakin tiedon määritelmiä on toki olemassa, mutta luonnontieteiden sisällä tämänlainen tiedon objektiivisuus on lähtökohta.

Kaikki meistä osaavat tehdä mittauksia - osaat esimerkiksi mitata kaverisi pituuden tai jouksulenkkisi keston. Tarvitset näihin mittalaitteen ja jonkin mittayksikön, johon verrata tulosta. Pituus voi olla esimerkiksi 175 cm, mutta ei 175. Mitattavista asioista käytetään nimeä "suure" (esim. pituus) ja jokaisella suureella on yksikkö (esim. senttimetri). Lisäksi meidän täytyy sopia, kuinka pitkä yksi senttimetri on, jotta tällaisessa tuloksessa olisi jotain mieltä.

Historialliseti "yksi metri" on eri aikoina tarkoittanut ensin tiettyä osaa päiväntasaajan ja pohjoisnavan välisestä etäisyydestä sekä myöhemmin Ranskassa sijainnutta metallisauvaa, "prototyyppi-metriä". Nykyisin metri määritellään valonnopeuden avulla olemaan se etäisyys, jonka valo kulkee tyhjiössä 1 299792458 sekunnissa.

Sekunnin määritelmä puolestaan on sidottu Cesium-atomien radioaktiivisiin hajoamisiin. Näillä yksityiskohdilla ei tämän kurssin kannalta ole merkitystä, mutta huomaa, että mittaaminen tapahtuu aina suhteessa johonkin vertailukohtaan. Erilaisia mittauksia voi tietenkin tehdä vaikka kuinka monia, mutta niin kutsuttuja perussuureita on fysiikassa vain seitsemän.

Fysiikka tutkii siis kaikkia mahdollisia etäisyyksiä aina näkyvän maailmankaikkeuden kokoon asti (noin 1027 m). Pienen mahdollinen etäisyys on vielä hypoteesin tasolla, sillä nykyisillä kokeilla nähdään vain noin 10⁻¹⁹ m asti. Parhaat teoriamme, yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka, ennustavat yhdessä pienimmän mahdollisen etäisyyden: tämä Planckin etäisyys on noin 10⁻³⁵ m. Suurin mahdollinen etäisyys on siten 1062 kertaa suurempi kuin pienin mahdollinen etäisyys.

Toinen tapa kirjoittaa erilaisia suuruusluokkia on käyttää etuliitteitä. Esimerkiksi tietokoneiden tallennustila ilmoitettiin joskus aikoinaan kilotavuina (kb), sitten megatavuina (Mb), gigatavuina (Gb) ja nykyisin teratavuina (Tb). Pienempiin numeroihin mennessä puhutaan millimetreistä (mm), mikrometreistä (µm), nanometreistä (nm), jne. Nämä etuliitteet voidaan aina muuttaa kymmenen potensseiksi ja päinvastoin. Kaikki tieto löytyy taulukkokirjoista, joten näitä ei tarvitse opetella ulkoa

Fysiikka on kokeellinen tiede, eli kaikki perustuu viime kädessä niihin mittauksiin, jotka osaamme tehdä. Kokeita tekemällä saamme tietoa, jota järjestelemällä voimme päätellä säännönmukaisuuksia luonnon käyttäytymisessä. Näiden päätelmien avulla meidän on mahdollista rakentaa malleja tai teorioita, joiden avulla voimme tehdä ennusteita luonnon tulevasta käyttäytymisestä.

Fysiikka tieteenä muodostuu kahden osan vuoropuhelusta: kokeiden avulla rakennetaan malleja ja mallien avulla saadaan ideoita siitä mitä kannattaisi kokeilla seuraavaksi. Kokeet ja mallit/teoriat ovat siis toisiaan täydentäviä osia, joista kumpaakaan ei oikein voi tehdä ilman toista.

Jos saamme uutta tietoa, joka voidaan selittää paremmin jollakin toisella mallilla, on oltava valmis luopumaan vanhoista malleista. Tiede on siis itseään korjaavaa ja tieteelliseen tietoon liittyy aina epävarmuutta. Fysiikka ei siis koskaan "todista" mitään, mutta se ei estä sitä etteikö sen avulla voisi "tietää" miten asiat toimivat.

Joskus käyttämämme sanat johtavat meitä harhaan. Esimerkiksi termeistä luonnonlait tai fysiikan lait syntyy helposti sellainen mielikuva, että luonto jotenkin noudattaisi fysiikasta löytyviä lakeja. Luonto ei tietenkään seuraa sen enempää fysiikan kuin minkään muunkaan tieteen lakeja, vaan se tekee mitä tekee ja me ihmiset yritämme parhaamme mukaan selittää tätä käytöstä keksimillämme malleilla.

Mittarina sille kuinka hyvin luonnon mekanismeja ymmärrämme voidaan käyttää näiden mallien ennustamiskykyä. Ennusteiden paikkaansapitävyydelle voidaan useissa tapauksessa antaa numeroarvo, joka on usein uskomattoman hyvä ottaen huomioon kuinka huonoja me ihmiset yleensä olemme rationaalisessa ajattelussa ja tulevaisuuden ennustamisessa. Tiede nouseekin tässä mielessä usein yksilöiden yläpuolelle ja kertoo meille milloin olemme väärässä.

"Fysiikka" voi eri yhteyksissä tarkoittaa hieman eri asioita, mutta ajatellaan sen tässä yhteydessä tarkoittavan luonnon ilmiöiden ja mekanismien systemaattista tutkimista. Tätä on tehty jo muinaisissa kulttuureissa, erityisesti antiikin Kreikassa, ja lukiofysiikastakin löytyy edelleen tuloksia, jotka on löydetty jo tuohon aikaan.

Usein "fysiikkaan" kuuluu lisäksi, että päätelmät perustuvat kokeellisiin havaintoihin ja tieteellisen metodin käyttöön. Tällaista "empiriaan" perustuvaa fysiikkaa on tehty kunnolla vasta 1500-luvulta alkaen, aiemmin päätelmien tueksi riittivät intuitio, maalaisjärki ja logiikka. Tästä alkanutta ja noin 1900-luvun alkuun kestänyttä aikakautta kutsutaan klassisen fysiikan kaudeksi.

Modernin fysiikan kausi alkaa kvanttimekaniikan synnystä 1900-luvun alussa. Muutos tuli kokeiden pakottamana: klassisen fysiikan mallit eivät enää selittäneet havaittuja koetuloksia, joten täytyi tehdä parempia malleja. Tästä alkoi modernin fysiikan vallankumous, joka on monessa mielessä mahdollistanut nykyisen kaltaisen tietoyhteiskunnan ja sen tarvitseman tekniikan. Tärkeää olisi kuitenkin muistaa, että kvanttimekaniikan tutkijat eivät tehneet tutkimuksiaan löytääkseen teknisiä sovelluksia, vaan tekniset sovellukset ovat tulleet uteliaisuuden ajaman perustutkimuksen sivutuotteina.