Kaikki tai ei mitään

30.3.2017 klo 00.48, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tässä viimeinen poiminta kurssilta Fysiikkaa runoilijoille. Aiemmissa osissa kirjoitin klassisen mekaniikan paljastamasta uudesta kauneuden muodosta, suppeasta suhteellisuusteoriasta ja vääristä ideoista, yleisestä suhteellisuusteoriasta ja suuresta järjettömyydestä, kvanttimekaniikasta ja ymmärryksen rajoista, kvanttikenttäteorian määräyksistä aineelle ja vuorovaikutuksille sekä selitysten ketjun päättymisestä kosmologiassa. Viimeinen aihe on kaiken teoria (luentomoniste löytyy täältä).

Nykyään on kaksi perustavanlaatuista fysiikan teoriaa: ainetta käsittelevä hiukkasfysiikan Standardimalli ja aika-avaruutta kuvaava yleinen suhteellisuusteoria. Eteenpäin voi mennä kolmella tavalla: laajentamalla Standardimallia uusilla hiukkasilla, vuorovaikutuksilla ja symmetrioilla; kehittämällä uusia gravitaatioteorioita; tai yhdistämällä hiukkasfysiikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa. Standardimallin laajennuksia on kehitetty lukuisia, suosituimpina supersymmetria, suuret yhtenäisteoriat ja tekniväri. Samoin uusia gravitaatioteorioita on tukuittain. Molemmilla suunnilla kaikki kokeet ovat toistaiseksi vain varmentaneet nykyisten teorioiden ennusteet.

Meneillään oleva vuosittainen Moriondin konferenssi, jossa esitellään LHC:n kokeellisia tuloksia, on tyypillinen tapaaminen: löytöjä ei ole ja uuden fysiikan rajat siirtyvät hiljalleen ylöspäin. Ehdotettujen uusien hiukkasten mahdolliset massat kasvavat ja vuorovaikutukset heikkenevät joskus kymmenen tai parikymmentä prosenttia kauemmas, toisinaan enemmän. Samoin käy gravitaatioteorioiden kohdalla.

Yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan yhdistämisen suhteen tilanne on erilainen: ei ole juuri ennusteita eikä kokeita, joilla testata niitä. (Merkittävänä poikkeuksena kosminen inflaatio, jossa kvanttigravitaatio on koskettanut havaintoja.) Standardimallin ja yleisen suhteellisuusteorian laajennuksia voi rakentaa vanhojen periaatteiden päälle. Gravitaation ja kvanttifysiikan yhdistäminen kaiken kattavaksi teoriaksi ei sen sijaan onnistune ilman tyystin uudenlaisia ideoita, ja siinä yleensä aloitetaan kaukana nykyisten havaintojen rajasta.

Eniten tutkittu ehdokas kaiken teoriaksi on säieteoria. Kvanttikenttäteoriassa aine koostuu aika-avaruuden täyttävistä kentistä, joiden pieniä häiriöitä hiukkaset ovat. Säieteoria hylkää idean kentistä ja ottaa askeleita taaksepäin. Kvanttimekaniikka on teoria, jossa otetaan klassisen fysiikan pistemäiset (eli nollaulotteiset) hiukkaset ja tehdään niistä epämääräisiä – voi sanoa, että hiukkaset kvantitetaan. Säieteorian lähtökohtana voi pitää yksinkertaista kysymystä: entä jos kvantitetaan sen sijaan yksiulotteisia kappaleita, eli säikeitä?

Säieteorian kehittäminen oli monivaiheinen prosessi, ja kesti vuosia hahmottaa, että se edes käsittelee säikeitä. Säieteorian poikkeavat lähtökohdat tekivät siitä aikanaan riskialttiin tutkimuskohteen. Kertoman mukaan jotkut sen keskeisistä kehittäjistä 60- ja 70-luvulla olivatkin lähellä jäädä ilman työpaikkaa, koska touhua pidettiin turhanpäiväisenä. Lopulta läpimurto oli kuitenkin paljon isompi kuin kukaan oli odottanut.

Yksinkertaisella kysymyksellä säikeiden kvantittamisesta on kauaskantoiset seuraukset. Osoittautuu, että säikeiden värähtelyt vastaavat sekä hiukkasia että gravitaatiota. On aina lupaavaa, kun teoria antaa ilman ylimääräisiä oletuksia ulos kaikenlaista tunnettua ja kaivattua. Säieteorialla on rikas matemaattinen rakenne, ja se pitää sisällään hiukkasfysiikan, gravitaation, supersymmetrian ja suuren yhtenäisteorian – lyhyesti sanottuna kaikkea mitä kaiken teoriaan kaivata saattaa.

Lisäksi, ensimmäisenä teoriana fysiikan historiassa, säieteoria ennustaa montako ulottuvuutta on olemassa. Valitettavasti säieteorian ennuste on kymmenen, ei neljä. Lisäksi säieteoriasta helposti saatava gravitaatioteoria on erilainen kuin yleinen suhteellisuusteoria. Tämä on hyvä piirre, koska se on ennuste, jolla teorian voi varmentaa tai hylätä. Ongelma on se, havainnot ovat jo hylänneet sen: poikkeamat yleisestä suhteellisuusteoriasta ovat liian suuria. Hiukkasfysiikan kanssa on samanlainen pulma: säieteoriasta saa helposti hiukkasfysiikkaa ulos, mutta havaintojen kanssa yhteensopivan hiukkasfysiikan saaminen on vaikeaa.

Naiivista ajateltuna jo ulottuvuuksien lukumäärän perusteella voisi hylätä säieteorian. Mutta havaintojen kanssa ristiriidassa olevaa teoriaa voi hylkäämisen sijaan muokata. Useimmiten fysiikassa ensimmäiset ideat eivät ole yksityiskohdiltaan oikein, ja vasta kehittelyn myötä löydetään oikea ratkaisu. Niinpä on oletettu, että säieteorian kuusi ylimääräistä ulottuvuutta ovat niin pieniä, että emme huomaa niiden olemassaoloa. Tyypillisesti niiden koko on pienempi suhteessa protoniin kuin mitä protoni on suhteessa meihin. (Mutta tästä on paljon erilaisia vaihtoehtoja.)

Näkemämme hiukkasfysiikka ja gravitaatio riippuu siitä, miten ylimääräiset ulottuvuudet on kääritty pieniksi. Toisin sanoen käärimällä ulottuvuudet eri tavoin voidaan säätää sitä, millaisia hiukkasia on ja miltä gravitaatio näyttää, ja niitä voidaan yrittää säätää vastaamaan havaintoja. Tämä on kuitenkin onnettomuus onnessa: ei tiedetä, mikä periaate määrää oikean käärimisen, ja vaihtoehtoja on tuhottoman paljon. (Ei ole selvää, miksi ylimääräisiä ulottuvuuksia olisi juuri kuusi.) Itse asiassa ei edes tiedetä, onko tällaista periaatetta tai ainoaa oikeaa käärimistä olemassa.

Monet säieteorian kärkinimistä ovat päätelleet, että koska he eivät ole keksineet ratkaisua, sellaista ei ole olemassa. Heidän mukaansa kaikki vaihtoehdot ovat mahdollisia, ja on olemassa multiversumi, jossa kaikki mahdolliset maailmankaikkeudet ovat todellisia. (Sanan ”todellinen” merkitys on tosin tässä yhteydessä hieman hämärä.) Ajatus on saanut tukea useilta tunnetuilta kosmologeilta tukea, mutta toiset pitävät sitä epätoivon tienä, joka ei johda mihinkään.

Joka tapauksessa säieteoria ei ainakaan tällä hetkellä ennusta mitään. Säieteorian kautta on kyllä löytynyt kiehtovia matemaattisia rakenteita, ja toistaiseksi siitä onkin kenties ollut enemmän hyötyä matematiikalle kuin fysiikalle. Säieteorian piirissä on myös kehitetty laskennallisia apuvälineitä, joita on sovellettu raskaiden ionien törmäysten ja kiinteän olomuodon ilmiöiden kuvailemiseen. (Näiden alojen tutkijoilla on poikkeavia mielipiteitä siitä, kuinka hyödyllisiä nämä menetelmät ovat olleet.)

On muitakin ehdokkaita kvanttigravitaatioteoriaksi ja kaiken teoriaksi, mutta yksikään ei ole luvannut niin paljon kuin säieteoria. Ellei jokin muu idea tee läpimurtoa tai ellei löydy jotain uutta ideaa siitä, miten säieteoria pitäisi muotoilla (etenkin mitä ylimääräisiin ulottuvuuksiin tulee), ei ole selvää kuvaako säieteoria todellisuutta, onko se teoria kaikesta vai ei mistään.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *