Maxwellin tiimalasi

15.5.2019 klo 22.51, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Luin Ari Tervashongan gradun Fysiikan referenssiraamin muutos: maxwellilaisen eetterihypoteesin teoriaperinne vuosina 1879–1916. Tämä kiinnostava opinnäytetyö käsittelee nimensä mukaisesti eetteriteorioiden kehitystä sähkömagnetismin kehittäjän James Clerk Maxwellin kuoleman ja yleisen suhteellisuusteorian löytämisen välisenä aikana. Eetteriteorialla ei ole merkitystä nykyfysiikalle mitä sisältöön tulee, mutta sen historia valaisee joitakin piirteitä tieteellisten ideoiden kehityksessä.

Niin fysiikan oppikirjoissa ja kursseilla kuin suurelle yleisölle suunnatuissa kirjoituksissa yleensä esitetään fysiikan kehityksestä yksinkertaistettu versio, missä on karsittu harhapolut ja keskitytään oikeisiin ratkaisuihin. Tämä auttaa ymmärtämään fysiikan teorioiden sisältöä, mutta voi hämärtää käsitystä siitä, miten teorioita kehitetään. Kuten Tervashonka kirjoittaa, tutkimuksen eteneminen ei koostu yksinkertaisista ongelma-ratkaisu-pareista, jotka seuraavat toinen toistaan. Enemmän kuin suoraa punosta, fysiikan kehitys muistuttaa verkkoa, joka kasvaa eri suuntiin, ja jonka osista suurin osa kuihtuu tarpeettomina pois vailla kosketusta todellisuuteen.

Maxwell tunnetaan siitä, että hän löysi sähkön ja magnetismin yhtenäisteorian, sähkömagnetismin. Sen merkitys sekä myöhemmälle fysiikalle että teknologisille sovelluksilla on mittaamaton. Sähkömagnetismi ennusti näkymättömän valon, eli radioaallot, infrapunasäteilyn ja niin edelleen, ja antoi alustan sähköisten ilmiöiden ymmärtämiselle – molemmilla on nykyteknologiassa keskeinen rooli. Se oli myös ponnistuslauta niin suppealle suhteellisuusteorialle, ja siten yleiselle suhteellisuusteorialle, kuin kvanttikenttäteoriallekin – eli molemmille tällä hetkellä perustavanlaatuisille teorioille.

Melko vähän muistetaan sitä, että Maxwell itse hahmotti sähkömagneettiset ilmiöt eetterin kautta. Kun valon ymmärrettiin olevan sähkömagneettista aaltoliikettä, heräsi kysymys minkä aaltoilusta oikein on kyse. (Tarkemmin asiasta täällä.) Jo aiemmin käytössä ollut käsite eetteri valjastettiin tähän rooliin. Eetterin ajateltiin olevan näkymätöntä ainetta, joka täyttää avaruuden kaikkialla ja vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa, saaden aikaan kaikki sähkömagneettiset ilmiöt ja lämmön.

Maxwellin sähkömagnetismin menestyksen myötä eetterinkin suosio kasvoi. Tervashonka vertaa eetteriteorioiden kehitystä tiimalasiin, jonka uuma on Maxwellin teoria. Ennen Maxwellia oli kaikenlaisia malleja eetteristä, Maxwellin jälkeen suuri osa niistä karsiutui, ja eetteriteorioita rakennettiin lähinnä Maxwellin löytöjen ja ideoiden päälle.

Maxwell oli selittänyt sähkömagnetismia eetterin mekaanisten ominaisuuksien, kuten vieterien ja rattaiden avulla. Tervashongan mukaan Maxwell kuitenkin näki tällaiset ideat vertauskuvallisina tapoina hahmottaa uudenlaista fysiikkaa, eikä halunnut ottaa niitä turhan kirjaimellisesti. Maxwellin sähkömagnetismin teoriassa ei mitään eetteriä tarvitakaan.

Tämä on esimerkki siitä, miten perusteiltaan virheelliset ideat voivat joskus olla hyödyllisiä oikeiden selitysten löytämisessä, kun osaa pitää erillään rakennustelineet ja rakennuksen – ja kun käytössä on uusia havaintoja. Niels Bohrin vuonna 1913 esittämä atomimalli, missä elektronit kiertävät ydintä tiukoilla radoilla on toinen vastaava tapaus, missä yksityiskohdat ovat täysin väärin, mutta ydin ja havaintojen kuvailu oikea.

Maxwellin jälkeen tieteilijät kuitenkin yrittivät ymmärtää eetterin koostumusta sekä selittää havaintoja suoraan eetterimallien avulla, sen sijaan että olisivat vain käyttäneet mekaanisia vertauskuvia apuna niistä riippumattomien teorioiden rakentamiselle. Tämä oli umpikuja, ja ristiriitaisten ideoiden avulla päädyttiin usein selittämään sitä, miksei eetteriä oltu havaittu sen sijaan, että olisi onnistuneesti ennustettu havaintoja ja löydetty uusia ilmiöitä. Toisaalta tämä antoi lukuisia tilaisuuksia kehittää eetterille uudenlaisia ominaisuuksia selitykseksi sille, miksi sitä ei havaittu.

Nykynäkökulmasta eetteritutkimus näyttää hedelmättömältä. Tervashonka kuitenkin muistuttaa, että monet eetteriä tutkineet fyysikot olivat alansa huippua. Hän toteaa, että ideaa ei hylätty vaikeuksienkaan edessä, koska se olisi ollut vielä vaikeampaa kuin jatkaminen. Jos ei ole hyviä ideoita, on pakko käyttää huonoja. Vaihtoehtona olisi myöntää, että ei pääse enää eteenpäin jonkun asian tutkimisessa ja siirtyä tutkimaan jotain muuta. Vaikeutta tuskin vähensi se, että eetterin avulla haluttiin selittää lähes kaikki fysikaaliset ilmiöt. Se, että teorian ennusteet ovat pielessä (tai se ei ennusta mitään) ei riitä sen hylkäämiseen. Kuten yleensä, teoria hylättiin vasta kun keksittiin parempia selityksiä, osittain uusien havaintojen kautta.

Eetteriteorioiden loppuun vaikutti merkittävästi kaksi tapahtumaa. Ensinnäkin Albert Einsteinin esittämä suppea suhteellisuusteoria vuonna 1905 ratkaisi kaikki Maxwellin sähkömagnetismin ja Newtonin mekaniikan väliset ongelmat (muuttamalla jälkimmäistä), joilla oli motivoitu eetterin tutkimista. Toisekseen sähkövirtaa kuljettava elektroni löydettiin, minkä jälkeen sähkön selittämiseen ei tarvittu eetteriä. Kuten Tervashonka toteaa, teorioista luopuminen oli kuitenkin hidasta ja tapahtui eri tahtiin eri paikoissa. Elektronikin liitettiin ensin osaksi eetterimalleja, ja jotkut puolustivat eetteriteoriaa vielä 20 vuotta suppean suhteellisuusteorian löytämisen jälkeen.

Ratkaisevana tekijänä mainitaan usein Michelsonin ja Morleyn vuoden 1887 koe, joka ei löytänyt eetterituulta ja vahvisti epäilyksiä eetterin olemassaolosta. Tervashongan mukaan eetteriä kuitenkin puolustettiin kokeen jälkeen entistä vahvemmin. On vaikea olla vertaamatta tällaista suhtautumista viime vuosikymmenten tutkimukseen säieteoriasta kaikkien vuorovaikutusten yhtenäisteoriana, jota jatketaan teoreettisen edistyksen, ennusteiden ja kokeellisen näytön puutteesta huolimatta. Osa säieteoriayhteisöstä on reagoinut samalla tavalla siihen, että CERNin LHC-kiihdytin ei ole nähnyt merkkejä supersymmetriasta. Kummassakin tapauksessa teoriasta ei ole yhtä kiinnitettyä muotoilua, vaan erilaisia versioita. Jotkut niistä ennustavat, että kokeessa pitäisi näkyä tietynlainen signaali, toisten mukaan mitään ei pitäisi nähdä. Niinpä jos sopivia merkkejä olisi nähty, se olisi tukenut teoriaa, mutta niiden puute ei kumoa teoriaa.

Eetterin historiasta ei voi päätellä mitään siitä, onko säieteoria oikein, mutta se muistuttaa, miten kärkitutkijoiden hartaudella kehittämät kokonaiset viitekehykset voivat olla väärin, ja että ilman uusia havaintoja on vaikea löytää oikeita kysymyksiä, saati vastata niihin.

8 kommenttia “Maxwellin tiimalasi”

  1. Pilkunviilaaja sanoo:

    Eikö pitäisi käyttää hypoteesi-sanaa mielummin kuin teoria? Vai oliko eetteriteorioille olemassa tutkimusnäyttöä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Sanaa teoria ei käytetä pelkästään ideoista, jotka on kokeellisesti varmennettu, jos sitä tarkoitat.

      Käytän sanoja malli ja teoria tässä vähän sekaisin, niiden merkityksestä (siten kuin se fysiikassa yleensä ymmärretään) vähän täällä:

      http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kaikki_jarjestyksessa

  2. Eusa sanoo:

    Oireellisinta nykyfysiikassakin on, että parametrien lisäyksille haetaan ”tukea” kuten pimeän aineen metsästys, eikä pitäydytä ennusteiden osoittamisessa vääriksi pätevyysalueen rajoja löytämällä ja siitä sitkeäsi teoriaa kehittämällä.

    Vähintäänkin hämmentävää on ajatusrakennelmien kutsuminen teorioiksi, vaikka ne voivat olla mahdottomia falsifioida eli löytää niitä pätevyysalueen rajoja.

    Kaikki teoriathan ennustavat väärin. Kvanttiteorian huikeat desimaalitarkkuudetkin perustuvat hyvin rajattuun pätevyysalueeseen; vuorovaikutukset kontrolliolosuhteissa.

    Säikeet eivät ole edes malli vaan lähinnä matematiikkaa, eikös vain?

    Ihmisen kaipuu yhteen totuuteen näkyy yhtenäisteorian haikailussa – jos sellainen olisikin, todellisuus perustuisi matematiikalle ja ehkä voisi jokin fraktaalimatematiikka ollakin, mutta tuskin sen keksimisestä juurikaan mitään hyötyä fysiikalle olisi. Nyt esim. kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuus täydentävät hyvin toisiaan – moni on sitä mieltä, ettei gravitaation kvantittaminen ole edes oikea kysymys.

  3. Mikko Väyrynen sanoo:

    Sana eetteri on teorioissa korvattu sanalla kenttä niin kuin tuossa totesit.
    Vuoden 1887 koe modernisoitiin onnistuneesti kun Gravity Probe B saatiin valmiiksi ja ligo todisti että gravitaatio kulkee samaa nopeutta kuin valo, eli siis samassa kentässä. Ongelmana eetterissä on lähinnä se ettei sitä keksitty 1700 luvulla vaan on esihistoriallista alkuperää ja siihen liitetään myös muita ominaisuuksia, kuten henkiä sekä telepatiaa ja sen myös tiedettiin olevan elossa, tästä lähtökohdasta on vaikeaa lähteä rakentamaan mitään kansan hyväksymää kaupallista tuotteistusta, joten sanaa eetteri ei ole voinut edes mainita joutumatta naurunalaiseksi, propsit siitä

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En sanonut, että sana eetteri on korvattu sanalla kenttä.

  4. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: ”Eetterin historiasta ei voi päätellä mitään siitä, onko säieteoria oikein, mutta se muistuttaa, miten kärkitutkijoiden hartaudella kehittämät kokonaiset viitekehykset voivat olla väärin, ja että ilman uusia havaintoja on vaikea löytää oikeita kysymyksiä, saati vastata niihin.”

    Useat (ehkä enemmistö) fyysikoistakin silti kirjoittavat (ainakin populaariesityksissä) että tie Standarditeoriasta eteenpäin käy supersymmetrian ja ehkä GUTien kautta tai ilman niitä nimenomaan säieteoriaan/teorioihin. Toinen, mikä aina muistetaan mainita, on Loop Quantum Theory vaikka sen ulottuvuusaste ei edes teoriassa ylety yhtä pitkälle kuin esim M-teoria (eli se ei väitäkään olevansa TOE).

    Onko niin, että yleisölle on väkisinkin kuitenkin annettava JOKIN selitys? Vai johtuuko se siitä, että monilla on näyttöjen puutteesta huolimatta lähes jumalainen usko malleihinsa?

    Standardimallilla on valtava empiirinen todistusaineisto, mutta silti tiedämme sen monet puutteet. Eli tilausta sen ylittäville teorioille toki on. Elämme jännittäviä aikoja, mutta täytyy sanoa, että jännitettävyys on teoriapuolen osalta aikalailla latkuuntunut vuosikymmenien aikana olemattoman näytön puutteessa. Mutta tietenkin sen, että minä en ymmärrä, ei tarvitse olla edes suuntaa antavaa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Suurelle yleisölle tarkoitettujen kirjojen kirjoittajat eivät ole edustava otos fyysikoista.

      Säieteoria on epäilemättä alan tutkijoiden keskuudessa suosituin ehdokas kaiken teoriaksi. Yksi syy on se, että parempaakaan vaihtoehtoa ei ole löydetty.

      Mutta en tiedä kuinka moni yhteisön jäsen suhtautuu säieteoriaan tai supersymmetrisiin suuriin yhtenäisteorioihin millaisella varmuudella. Isolla osalla alan tutkimuksesta ei ole kummankaan kanssa mitään tekemistä.

      Jos ei pidä säieteoriaa relevanttina oman tutkimuksen kannalta, niin tuskin lähtee kirjoittamaan kirjaa missä kertoo asiasta.

      Säieteoriaan kriittisesti suhtautuvia kirjojahan on tullut, kuten Lee Smolinin The Trouble with Physics, Peter Woitin Not Even Wrong ja Lawrence Kraussin Hiding in the Mirror.

  5. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”Suurelle yleisölle tarkoitettujen kirjojen kirjoittajat eivät ole edustava otos fyysikoista.”
    Ei tietenkään. Siitä huolimatta, että he ”tuhlaavat” aikaansa suuren yleisön valistamiseeen, he voivat olla merkittäviä myös fysiikan kehityksen kannalta. Esim. Stephen Hawking.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *