Arkisto
- syyskuu 2023
- elokuu 2023
- kesäkuu 2023
- toukokuu 2023
- huhtikuu 2023
- maaliskuu 2023
- helmikuu 2023
- tammikuu 2023
- joulukuu 2022
- marraskuu 2022
- lokakuu 2022
- syyskuu 2022
- elokuu 2022
- kesäkuu 2022
- toukokuu 2022
- huhtikuu 2022
- maaliskuu 2022
- helmikuu 2022
- tammikuu 2022
- joulukuu 2021
- marraskuu 2021
- lokakuu 2021
- syyskuu 2021
- elokuu 2021
- kesäkuu 2021
- toukokuu 2021
- huhtikuu 2021
- maaliskuu 2021
- helmikuu 2021
- tammikuu 2021
- joulukuu 2020
- marraskuu 2020
- lokakuu 2020
- syyskuu 2020
- elokuu 2020
- kesäkuu 2020
- toukokuu 2020
- huhtikuu 2020
- maaliskuu 2020
- helmikuu 2020
- tammikuu 2020
- joulukuu 2019
- marraskuu 2019
- lokakuu 2019
- syyskuu 2019
- elokuu 2019
- heinäkuu 2019
- kesäkuu 2019
- toukokuu 2019
- huhtikuu 2019
- maaliskuu 2019
- helmikuu 2019
- tammikuu 2019
- joulukuu 2018
- marraskuu 2018
- lokakuu 2018
- syyskuu 2018
- elokuu 2018
- kesäkuu 2018
- toukokuu 2018
- huhtikuu 2018
- maaliskuu 2018
- helmikuu 2018
- tammikuu 2018
- joulukuu 2017
- marraskuu 2017
- lokakuu 2017
- syyskuu 2017
- elokuu 2017
- kesäkuu 2017
- toukokuu 2017
- huhtikuu 2017
- maaliskuu 2017
- helmikuu 2017
- tammikuu 2017
- joulukuu 2016
- lokakuu 2016
- syyskuu 2016
- elokuu 2016
- kesäkuu 2016
- toukokuu 2016
- huhtikuu 2016
- maaliskuu 2016
- helmikuu 2016
- tammikuu 2016
- joulukuu 2015
- marraskuu 2015
- lokakuu 2015
- syyskuu 2015
- elokuu 2015
- kesäkuu 2015
- toukokuu 2015
- huhtikuu 2015
- maaliskuu 2015
- helmikuu 2015
- tammikuu 2015
- joulukuu 2014
- marraskuu 2014
- lokakuu 2014
- syyskuu 2014
- elokuu 2014
- kesäkuu 2014
- toukokuu 2014
- huhtikuu 2014
- maaliskuu 2014
- helmikuu 2014
- tammikuu 2014
- joulukuu 2013
- marraskuu 2013
- lokakuu 2013
- syyskuu 2013
Valon vihjeitä
Syksyllä luennoimassani kurssissa Fysiikkaa runoilijoille oli seitsemän osaa: klassinen mekaniikka, sen tuolle puolen kasvaneet suppea ja yleinen suhteellisuusteoria sekä vastaavasti kvanttimekaniikka ja kvanttikenttäteoria, ynnä nämä yhteen tuova kosmologia ja yritykset kohti kaiken teoriaa. Poimin tänne, muiden aiheiden lomassa, yhden asian kustakin kurssin osasta. Aloitin kirjoittamalla siitä, miten klassisen taivaanmekaniikan myötä ihmiskunta löysi uudenlaisen kauneuden, nyt on vuorossa eetteri ja teorioiden hylkääminen.
Newtonin 1600-luvulla muotoilemassa klassisessa mekaniikassa aine koostuu pistemäisistä hiukkasista. Ne kohdistavat toisiinsa voimia, jotka voivat sitoa niitä isommiksi kokonaisuuksiksi: kaiken aineen käytös palautuu periaatteessa hiukkasiin. Sähkö- ja magneettikenttien löytäminen 1800-luvulla ravisteli tätä käsitystä.
Vuosina 1861-1862 James Maxwell esitti sähkökenttien ja magneettikenttien käytöstä kuvaavat yhtälöt, jotka nykyään kantavat hänen nimeään. Maxwellin yhtälöt kertovat, miten sähkövaraukset synnyttävät sähkökentän ja sähkökenttä ja magneettikenttä vaikuttavat toisiinsa. Maxwellin yhtälöt osoittivat sähkön ja magnetismin olevan erottamaton osa samaa kokonaisuutta, sähkömagnetismia.
Ne yllättäen myös kertoivat valon olevan sähkömagneettista aaltoliikettä. Sähkökentän muutos synnyttää pyörteisen magneettikentän, minkä muutos puolestaan synnyttää pyörteisen sähkökentän: tämä kenttien jatkuva vaihtuminen toisikseen on valoa. On tavallista, että yhtenäisteoriat vanhojen asioiden selittämisen lisäksi ennustavat uusia ilmiöitä, ja Maxwellin yhtälöt paljastivatkin, että on olemassa myös näkymätöntä valoa: mikroaaltoja, röntgensäteitä, radioaaltoja ja muita sähkömagneettisen säteilyn muotoja, joiden aallonpituus on liian pieni tai liian iso, jotta silmämme niitä rekisteröisivät. Tämä oli yksi ensimmäisiä osoituksia siitä, että näkyvä maailma on vain pieni osa havaittavaa todellisuutta.
Eräs askarruttava kysymys oli se, mistä sähkö- ja magneettikentät koostuvat. Selvästikään ne eivät rakennu samanlaisista hiukkasista kuin tavallinen, kiinteä aine. Laineet ovat veden aaltoilua, ääni on ilman aaltoilua, ja molemmat palautuvat molekyylien törmäilyyn. Mikä valossa aaltoilee?
Ratkaisuksi ehdotettiin eetteriä, ainetta, jonka aaltoilua valo olisi. Koska eetteriä ei oltu sen enempää nähty, kosketeltu käsin kuin havaittu gravitaatiovuorovaikutuksen kautta, sen pitäisi olla ominaisuuksiltaan aivan uudenlainen: valo olisi vihje erikoisesta aineen muodosta. Tässä ei sinänsä ole mitään epäilyttävää. 1900-luvulla ehdotetut pimeä aine ja pimeä energia ovat molemmat aineen muotoja, joita ei voi nähdä eikä tuntea, eikä jälkimmäisen tapauksessa Aurinkokunnan mittakaavassa käytännössä havaita edes gravitaation kautta. Eetterissä oli niihin verrattuna kuitenkin merkittävä ongelma: sen oli määrä kantaa valoa, joka vuorovaikuttaa voimakkaasti tavallisen aineen kanssa, mitä oli vaikea sovittaa yhteen sen kanssa, että eetteri on kytketty tavalliseen aineeseen hyvin heikosti.
Yksi merkittävä vihje eetterin olemuksesta oli se, että Maxwellin yhtälöiden mukaan valoaaltojen nopeus (kun ne liikkuvat alueessa, missä ei ole sähkövarauksia) on 299 792 458 m/s. Ajateltiin, että aivan kuten äänen nopeus ilmassa on 300 m/s suhteessa ilmaan, valon nopeus olisi 299 792 458 m/s suhteessa eetteriin. Tällöin valon nopeuden pitäisi olla pienempi tai isompi, kun liikkuu eetterin suhteen, aivan kuten ääniaallot saavat havaitsijan kiinni nopeammin tai hitaammin tämän liikkuessa ilman suhteen.
Koska Maa kulkee Aurinkokunnassa, se liikkuu oletettavasti myös eetterin suhteen, joten valon nopeuden pitäisi olla erilainen eri suunnissa. Vuonna 1887 Albert Michelson ja Edward Morley mittasivat tätä ja totesivat että nopeus on sama suunnasta riippumatta. On tietysti mahdollista, että sattumoisin Maa olisi ollut kokeen aikaan levossa eetterin suhteen, joten koe toistettiin eri vuodenaikana, jolloin Maan nopeuden suunta on erilainen, mutta eroa ei taaskaan ollut.
Nykyään tämä nähdään (aivan oikein) osoituksena siitä, että valon nopeus ei riipu havaitsijan liikkeestä eikä eetteriä ole olemassa. Tämä piirre, että valon nopeus on sama kaikille on vastoin klassista mekaniikkaa, jonka mukaan kaikki nopeudet ovat suhteellisia. Tämä ongelman ratkaisu on se, että klassinen mekaniikka ei ole täysin oikein (eli sen pätevyysalue on rajallinen), kuten Albert Einsteinin vuonna 1905 esittämä suppea suhteellisuusteoria selvitti.
Eetterin tutkiminen ei kuitenkaan loppunut Michelsonin ja Morleyn kokeeseen. He kirjoittivat (aivan oikein), että tulos vain sulkee pois sen, että eetteri ei olisi levossa Maan suhteen. Tähän voi vastata kehittämällä mallin, jossa eetteri on levossa Maan suhteen, esimerkiksi kytkemällä sen Maan gravitaatiokenttään, niin että Maa kiinnittää ympärilleen eetterivaipan, kuten pallo nesteessä. Keksin tämän itse, en tiedä käytettiinkö tällaista selitystä oikeasti, mutta jos haluaa aiheeseen perehtyä, niin Ari Tervashonka on tehnyt mielenkiintoiselta vaikuttavan gradun Fysiikan referenssiraamin muutos: Maxwellilaisen eetterihypoteesin teoriaperinne vuosina 1879–1916. En ole ehtinyt käydä sitä läpi, voi olla että palaan aiheeseen sen luettuani.
Eetterillä, kuten episyklillä, on nykyään huono kaiku. Aikanaan se oli kuitenkin järkevä hypoteesi, eikä ole yllättävää, että siitä ei luovuttu Michelsonin ja Morleyn kokeen takia. Kuten olen maininnut edesmenneestä Pioneer-anomaliasta kirjoittaessani:
”teoria on tieteessä välttämätön käyttöliittymä todellisuuteen. Jos pitäisi hylätä teoria siksi, että se on ristiriidassa havaintojen kanssa, ilman että on uutta tilalle, niin tiede loppuisi siihen pisteeseen. On totta, että teoria ei voi olla tieteellinen ellei sitä voi falsifioida, mutta toiminta ei ole tiedettä, jos siinä ei ole teoreettista ohjenuoraa.”
Ei ole selvää, mihin teoreettisen idean seuraaminen pitäisi lopettaa. CERNin LEP-kiihdytin ei nähnyt merkkejä matalan energian supersymmetriasta, ei myöskään sen seuraaja LEP2 eikä Fermilabin Tevatron, eikä, ainakaan toistaiseksi, LEPin tunneliin rakennettu LHC. Tähän voi vastata kehittämällä mallin, jossa supersymmetristen hiukkasten massat ovat niin korkeita, että niitä ei kiihdyttimissä nähdä. Tämä tosin romuttaa alkuperäisen idean siitä, että niiden ja tunnettujen hiukkasten massojen ero olisi samaa suuruusluokkaa kuin Higgsin massa, mutta ehkä supersymmetrian tarina on monimutkaisempi? Ei ole mitään tieteellistä metodia, joka antaisi yksiselitteisen vastauksen tällaisiin kysymyksiin.
Yleensä teoriasta luovutaan vasta sitten, kun kehitetään parempi teoria, tai hahmotetaan oikeat kysymykset sen löytämiseksi. Jos lähtee ratkaisemaan sitä ongelmaa, että Maan pinnalla oleva eetteri ei voi liikkua Maan suhteen, niin seuraava askel menee harhaan, kun pitäisi ottaa pakkia ja pohtia lähtökohtia uudelleen.
Suppean suhteellisuusteorian löytämisen lisäksi sähkömagnetismiin liittyi toinenkin mullistus: osoittautui, että sähkö- ja magneettikentät eivät koostu hiukkasista, vaan ovat itsessään perustavanlaatuisia rakennuspalikoita. Tämä oli ensimmäinen lisä klassisen mekaniikan käsitykseen aineesta: sähkömagnetismin myötä maailmassa oli kahdenlaisia olioita, hiukkasia ja kenttiä. Ajatus kentistä itsenäisinä toimijoina oli keskeinen suppean suhteellisuusteorian laajentamisessa yleiseksi suhteellisuusteoriaksi sekä kvanttimekaniikan laajentamisessa kvanttikenttäteoriaksi. Nykyään tilanne on kääntynyt päälaelleen Maxwellin ajoista: kaikki rakentuu kentistä, hiukkaset eivät ole perustavanlaatuisia. Tämä klassisen hiukkaskuvan rapautuminen on ollut keskeisessä roolissa modernin fysiikan kehityksessä, ja palaan siihen seuraavissa poiminnoissa.
20 kommenttia “Valon vihjeitä”
Vastaa
Pintaraapaisun ja perehtymisen väliltä
Syksyllä luennoimani kahden kuukauden kurssi Fysiikkaa runoilijoille oli pisin koostamani populaari esitys fysiikasta. Tarkoitus oli valaista ei-luonnontieteilijöille sitä, mistä fysiikassa on kysymys ja miten se on muuttanut maailmankuvaa. Modernin fysiikan (eli suhteellisuusteorian ja kvanttiteorian) tuoma mullistus todellisuuskäsityksestä on suuruudessaan verrattavissa siirtymään maagisesta maailmankuvasta valistuksen järkeilyyn, mutta sen sisältö on tuntematon valtaosalle ihmisistä, jotka eivät ole fyysikkoja. Kurssi pyrki omalta pieneltä osaltaan paikkaamaan tätä aukkoa. Luennoilla kävi myös yliopiston ulkopuolisia. Eräs kurssilainen totesi palautteessa seuraavasti:
Tällaisia tieteenalojen välisiä kädenojennuksia kaivattaisiin enemmän. Tuntuu, että noin yleisesti ottaen fysiikasta kiinnostunut humanisti voi joko tyytyä populaarikirjallisuuteen tarjoamaan pintaraapaisuun tai vaihtoehtoisesti aloittaa fysiikan opiskelun aivan a:sta; välimuotoa on vaikea löytää.
Kurssin loppuesseiden ja palautteen perusteella kurssi onnistui tässä. Loppuesseistä kiinnostavimpia minulle olivat ne, joissa opiskelijat pohtivat kurssilla esitettyä kuvaa maailmasta oman tieteenalansa näkökulmasta, esimerkiksi historian, kehitysmaatutkimuksen, kirjallisuustieteen ja kognitiivisen neurotieteen. Fysiikka näyttäytyi monille hankalana mutta kiinnostavana alueena niin lähestymistapansa kuin paljastamansa todellisuuden puolesta (otteet ovat palautteesta, jossa kysyin mm. sitä, neuvoja kurssin jatkossa käyville opiskelijoille, jokainen kappale on eri opiskelijalta):
Alussa olisi hyvä käydä läpi vielä selkeämmin fyysikon ajattelutapaa ja tieteenalan viitekehystä. Humanistille ”kysymys ei ole relevantti”-tyyppinen vastaus tuntuu todella vieraalta.
Kannattaa orientoitua itsekseen sillä lailla, että nyt opitaan jotakin itselle aivan uutta ja oman alan näkökulmasta jopa hämmentävää. Se voi tuntua kurssin edetessä vaikealta, mutta keskittyminen palkitsee!
Minulle kurssi avasi aivan uudenlaisen kehyksen tarkastella maailmaa.
Oman ajattelun haastaminen ja totuttujen kaavojen ja ajatustapojen rikkominen oli todella virkistävää. […] Etenkin runojen kannalta kurssilla esiintyi monia samantapaisia fysiikan näkökulmasta tosia lauseita, jotka jollain tavalla kiteyttivät monimerkityksellisyydellään jotain sekä ulkoisesta maailmankaikkeudesta että jotain hyvin perusinhimillistä ja samaistuttavaa.
Fysiikan suhde kauneuteen tuo mielenkiintoisen yhtymäkohdan muiden tieteenalojen todellisuusmalleihin. Fysiikan kauneuden käsitteet, symmetria, muodot havaittujen luonnonlakien takana kiehtovat taiteiden ja filosofian alojen todellisuutta tutkivaa.
Tieteelliseen maailmankuvaan on vähitellen siis tarttumassa ajatus siitä, että ihmisen havaintokyvyn ulkopuolella olevat asiat selittävät todellisuutta parhaiten.
Toisaalta opiskelijat kertoivat siitä, miten hämäräksi asiat olivat kurssilla jääneet, ja miten siellä tarjottua tietoa oli vaikea arvioida ja kehystää:
Esimerkiksi luennolla olisi voinut kertoa mitä vain ja olisin sen todennäköisesti uskonut tiedon arvioimiseen tarvittavien työkalujen puutteessa. Ajan suhteellisuus, gravitaatio, pimeä aine ja aika-avaruuden taipuminen sellaisinaan tuntuvat jo niin hurjilta ja käsittämättömiltä, että samaan linjaan voisi hyvin uskoa muutakin kummallista.
Sekin on toivottava saavutus, että hahmottaa, että ei ymmärrä tai ei pysty kriittisesti arvioimaan jotakin asiaa, sen sijaan että virheellisesti luulisi ymmärtäneensä sen. Loppuesseissä olikin (yllätyksekseni) hyvin vähän väärinkäsityksiä kurssilla käsitellyistä asioista. Luullakseni ei ole tavatonta, että populaarien esitysteni jäljiltä moni yleisöstä on ymmärtänyt jotain keskeistä väärin, mutta kurssin pituuden takia luennoilla oli mahdollista enemmän avata tiedon perusteita ja tietämättömyyttä.
Oli myös mukava huomata, että opiskelijat kokivat kurssista olevan apua fysiikan populaarin käsittelyn arvioimisessa:
Ehkä tärkeimpinä anteina kurssista uskon, että pystyn jatkossa suhtautumaan huomattavasti kriittisemmin esimerkiksi tiedeuutisointiin ja populaareihin teksteihin alasta. Toisaalta pystyn varmasti myöskin paremmin hahmottamaan, mistä niissä on ylipäänsä kyse, kun kurssin jälkeen peruskäsitteet ovat hyvin karkeasti hallinnassa.
Koen nyt käsittäväni fysiikan eri ilmiöitä paremmin ja osaan tarkastella kriittisemmin esimerkiksi populaarikulttuurin tieteisfiktion sovelluksia fysiikan eri ilmiöistä.
Kurssilaiset arvostelivat (epäselvän ja liian nopean puheeni lisäksi) kurssissa enimmäkseen sitä, että se oli liian lyhyt ja siinä olisi voinut olla enemmän kosmologiaa. (Yksi opiskelija soimasi kurssin leikillistä nimeä harhaanjohtavaksi, koska fysiikkaa ei tarkasteltu runouden näkökulmasta.)
Fysiikan popularisoimisesta ei ole popularisoijille juuri hyötyä fysiikan sisällön ymmärtämisessä, mutta se auttaa näkemään selkeämmin, mistä fysiikassa on kysymys ja miten se nivoutuu inhimilliseen kokemukseen, ja tältä kannalta kurssin luennoiminen ja opiskelijoiden kysymykset, palaute ja esseet olivat minulle antoisia.
16 kommenttia “Pintaraapaisun ja perehtymisen väliltä”
-
Ville sanoo:
Olisin mielelläni osallistunut kurssille jos se töiden puolesta olisi ollut mahdollista. Taltioiko kukaan sitä? Ja jos, niin tuleeko levitykseen? Aiheestahan voisi kirjoittaa vaikkapa kirjan, ihan näin vinkkinä. Toki niitä on ollut mutta kun tekee omanlaisensa niin se yleensä myy.
-
Syksy Räsänen sanoo:
Kurssia ei taltioitu. Enqvisthän on kirjoittanut kurssin aiheista jokusenkin kirjan, joten ainakaan ihan heti en ole sellaista tekemässä. Vaikka näkökulmani ja aihevalintani ovatkin vähän erilaiset, päällekkäisyyttäkin on.
-
-
Auli sanoo:
Milloin pidät kurssin seuraavan kerran?
-
Riippuu opetusaikatauluistani Fysiikan laitoksella, joista en tiedä vielä.
-
-
Vesa Saarenpää sanoo:
Vinkki aiheen ympäriltä.
Richard Feynman: ”Fysiikan lain luonne” Ursan suomentamana. Luentosarja löytyy myös mv-videona hakusanoin ”The Character of Physical Law”. Qed on with it 😉 -
Erkki Kolehmainen sanoo:
Eräässä kommentissa perättiin ”fyysikon ajattelutapaa”? Ei sellaista ole. Osa fyysikoista on uskovia, osa ateisteja. Osa pitäytyy standardimalliin, osa haluaa esittää vaihtoehtoisia teorioita. Jotkut haluavat kehittää erittäin kalliita kokeita, toiset taas muuttaa nykyisen maailmankuvan perusteita. Fyysikot ovat ihmisiä, jotka ehkä sattuman kautta ovat kiinnostuneet fysiikasta kuten jotkut toiset runoudesta. Molemmissa mielikuvitus on ainoa luova voima!
-
Vaikka tieteenalojen sisällä on paljon vaihtelua (eikä esimerkiksi ole yhtä ainoaa oikeaa tapaa tehdä fysiikkaa), on kuitenkin eri tieteenalojen ajattelulle ja työskentelytavalle leimallisia piirteitä. Tieteenalojen lähestymistapojen erilaisuuden hahmottaminen oli yksi kurssin anti.
-
-
Juha Mehtälä sanoo:
Jos aiheesen liityen saa mainostaa niin ”Pbs Space time” tarjoaa mun mielestä ihan kivaa populaaria fysiikkaa you tubessa.
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Valon vihjeitä
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Kaikki tai ei mitään
Vastaa
Kaiken merkitys ja näkymättömät aallot
Olen Tieteen päivillä mukana kahdessa ohjelmanumerossa.
Puhun keskiviikkona 11.1. kello 12.15 alkavassa sessiossa ”Mitä voidaan ennustaa?” otsikolla ”Miksi kaiken teorialla on merkitystä?” Muina puhujina ovat Kai Nordlund, Ilpo Vattulainen ja Eero Castren. Nordlund kaiketi haastaa kaiken teorian merkityksen, ja minä puolustan sitä.
Puhun torstaina 12.1. kello 12.00 aiheesta ”Näkymättömiä aaltoja mustien aukkojen törmäyksistä”.
Tilaisuuksiin on vapaa pääsy.
Päivitys (17/11/16): Keskiviikon session kuvaus on seuraava.
”Fysiikan perimmäinen tavoite on löytää kaiken teoria, joka selittäisi yhdellä matemaattisella formalismilla kaikki vuorovaikutukset ja kaiken maailmankaikkeuden aineen luonteen. Sessiossa tarkastellaan sekä fysikaaliselta, biologiselta että neurologiselta kannalta sitä, että jos kaiken teoria löydetään, tarkoittaako se että sen perusteella voimme ennustaa kaiken mitä tulevaisuudessa tapahtuu? Session puheenjohtaja, fysiikan professori Kai Nordlund argumentoi ensiksi että vastaus on yksiselitteisesti ei. Vaikka kaiken teoria saattaa hyvin mahdollistaa hiukkastason ennustettavuuden, kun tullaan ihmiselle merkittävälle atomitasolle, kaiken teorialla ei ole juuri väliä. Atomitasolla nimittäin vuorovaikutukset tulevat niin monimutkaiseksi, että vaadittaisiin maailmankaikkeutta suurempi tietokone ennen kuin voitaisiin ennustaa biologista skaalaa.
Johdannon jälkeen kosmologi Syksy Räsänen kuvailee mitä kaiken teoria tarkoittaa, ja argumentoi miksi kaiken teorian tunteminen kuitenkin olisi erittäin merkittävää ihmiskunnalle. Tämän jälkeen biofysiikan professori Ilpo Vattulainen puhuu siitä miten, monimutkaisuudesta huolimatta, atomitason malleille kuitenkin voidaan jo nyt ennustaa tiettyjä biologisia prosesseja. Lopulta neurotieteen professori Eero Castren puhuu siitä, miten ihmisaivot ovat ennustava elin, ja miten pitkälle ihmisen käyttäytymistä voi ennustaa.”
Vastaa
Muodot muotojen takana
Tänä syksynä luennoimallani kurssilla Fysiikkaa runoilijoille käytiin läpi perustavanlaatuisia fysiikan lakeja klassisesta fysiikasta kaiken teorioihin. (Luentojen Powerpoint-esitykset ovat kurssin sivulla. Ne on tarkoitettu luentojen tueksi, mutta joillekin niistä on ollut iloa yksinäänkin.) Asioiden käsitteleminen aikajärjestyksessä auttoi hahmottamaan joitakin fysiikan keskeisiä piirteitä selvemmin. Yksi niistä on symmetrian käsite, joka on ollut tärkeä fysiikan kehityksessä alusta alkaen, ja jonka avulla fysiikan synty avasi ihmiskunnan koettavaksi uudenlaisen kauneuden muodon.
Eräs tärkeä silta protofysiikasta fysiikkaan oli taivaan ilmiöiden tarkastelu. Maapallon ulkopuoliset ilmiöt, erityisesti aluksi Kuu, planeetat, Aurinko ja muut lähitähdet ovat sikäli hyviä havaintokohteita, että niiden näkeminen on helppoa ja havaintojen ilmaiseminen ja toistaminen on suoraviivaista. Taivaalla myös pääsee todistamaan isompia ja joskus äärimmäisempiä tapahtumia kuin Maassa. Siksi taivaankatsomisella on ollut tärkeä osa niin klassisen fysiikan kuin yleisen suhteellisuusteorian kehittämisessä.
Auringon, Kuun ja planeettojen liikkeet taivaalla ovat myös sikäli otollisia tutkimuskohteita, että ne ovat selkeän säännönmukaisia: fysiikka etenee yksinkertaisten asioiden yksityiskohtaisella tarkastelulla. Muinaiset kreikkalaiset esittivät, että taivaiden liikkeet voidaan selittää tasaisella ympyräliikkeellä. Jos planeetat kiertäisivät Maata tasaisesti ympyröillä, niin planeetat liikkuisivat taivaalla aina samaan suuntaan, mutta jo muinaiset babylonialaiset tiesivät, että ne joskus ottavat pakkia. Niinpä kreikkalaiset kehittivät Ptolemaioksen nimiin laitetun mallin, joiden mukaan planeetat liikkuvat pienillä ympyröillä, joiden keskipiste kiertää Maata ympyrällä. (Liikkeen muoto vastaa suunnilleen sitä, miten kuut todellisuudessa kiertävät planeettoja, jotka kiertävät Aurinkoa.) Näiden pienten ympyröiden, episyklien, lisäämisestä on sittemmin tullut synonyymi sille, että kun malli on ristiriidassa havaintojen kanssa, siitä tehdään monimutkaisempi miettimättä ilmiön perusteita. Arvio on sikäli hieman harhaanjohtava, että yksinkertaisille ympyräradoille ei ollut sen kummempia perusteita kuin episykleillekään. Ymmärrys säännöistä ratojen takana kehittyi vasta fysiikan lakien myötä.
Episyklien avulla havainnot planeettojen liikkeistä selittyivät tyydyttävästi 1500-luvulle asti. Vuonna 1543 Nikolaus Kopernikus esitti uudenlaisen Aurinkokunnan mallin, jossa episyklejä ei ole, ja planeetat kiertävät ympyräradoilla Maan sijaan Aurinkoa. Kopernikuksen lähtökohtana ei ollut havaintojen tarkempi selittäminen, vaan symmetria: hän halusi palauttaa puhtaiden ympyröiden kauneuden. Fysiikassa totuus usein löytyy kauneutta etsimällä, mutta joskus löytöön johdattanut idea osoittautuu virheelliseksi. Niin Kopernikuksenkin tapauksessa: hän oli oikeassa siinä, että planeetat kiertävät Aurinkoa, mutta väärässä siinä, että radat olisivat ympyröitä. Johannes Kepler osoitti Tyko Brahen tekemien havaintojen avulla, että planeetat liikkuvat ellipsiradoilla. Vain tämän oivalluksen myötä aurinkokeskinen malli pystyi selittämään planeettojen kaaret taivaalla episyklimallia paremmin. Vaikka Kopernikuksen lähtökohta eli ympyräratojen yksinkertaisuus ja esteettisyys ei osoittautunut paikkansapitäväksi, hänen mallinsa kuitenkin raivasi tien syvemmän estetiikan luo.
Isaac Newton osoitti vuonna 1687 julkaistussa klassisen mekaniikan perusteoksessa Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, että ellipsiradat ovat seurausta siitä, että Aurinko vetää kappaleita puoleensa voimalla, joka on pallosymmetrinen, eli samanlainen kaikkiin suuntiin. Fysiikan voi katsoa alkaneen Principiasta. Matemaattinen mallintaminen ja mallien testaaminen havainnoilla oli ollut mukana taivaan liikkeiden kuvaamisessa vuosisatoja, mutta klassinen mekaniikka toi ensimmäistä kertaa mukaan fysiikan kolmannen tukipilarin eli teorian. Teoria kertoo säännön havaitun järjestyksen taustalla. Samalla Newton löysi uudenlaisen kauneuden, joka liittyy fysiikan lakeihin, ei niiden ilmentymiin.
Planeettojen radat eivät toteuta yksinkertaista ympyräsymmetriaa, mutta niiden ratojen takana olevat lait ovat vielä symmetrisempiä: gravitaatiovoima riippuu vain kappaleiden etäisyydestä, siinä ei ole mitään erityistä suuntaa eikä paikkaa. Newton löysi kauneuden, joka on fysiikan ytimessä. Fysiikan kauneus ei liity sen kuvaamien asioiden ilmentymiin, vaan lakeihin, jotka määräävät sen, millaiset ilmentymät ovat mahdollisia. Kauniita eivät ole niinkään havaitut muodot, kuin sääntöjen muodot, muodot muotojen takana.
19 kommenttia “Muodot muotojen takana”
-
Henkilökohtaisesti Sysksylle: Olen lukenut plogejasi jo vuosia. Paljon ennen kuin siirryit Ursan sivuille. Ymmärtäen joskus enemmän joskus vähemmän. Kerrankin yksi jonka ymmärsin 100%. Joka kerta olen kuitenkin oppinut jotain uutta. Kiitos. Jatka samalla tavalla.
-
Jussi:
Kiitos, mukava kuulla.
-
Anonyymi25 sanoo:
Hei Syksy!Hieno kirjoitus. En ole itse pitkään aikaan lukenut kosmologiaan liittyviä asioita vähään aikaan. Olen itse kiinnostunut laajasti maailmankaikkeuden liittyviin asioihin jo pienestä lähtien. Muutaman vuoden aikana mielenkiintoni on ollut erittäin suuri ja lisääntynyt entisestään. Olen joutunut välillä pitäämään taukoa kun pää menee ns ”rullalle.” En ole koskaan ollut lahjakas matemaattisesti tai koulussa priima oppilas. Haluaisin kuitenkin tulevaisuudessa pohtia suuria maailmankaikkeuden mysteereitä ja jollain tavalla ehkäpä ratkoa. Mietin vain tuhlaanko omaa aikaani? Kuitenkin näihin asioihin vaaditaan matematiikan osaamista. Olisiko sinulla suositella esimerkiksi luentoja tai koulua? Hyvää joulun odotusta!
-
Anonyymi25:
Maailmankaikkeuden mysteerien ratkominen edellyttää fysiikan opintoja väitöskirjaan asti, esimerkiksi Helsinin yliopiston fysiikan laitoksella. Jos riittää saada jonkinlainen käsitys siitä, mistä on kysymys, niin voi katsoa vaikka Fysiikkaa runoilijoille -kurssin sivuilla olevia teoksia.
Ja jos kurssi Fysiikkaa runoilijoille luennoidaan uudelleen, niin sinne voi toki tulla (luennot ovat avoimia kaikille).
-
Kiitoksia
-
-
Tavallaan Newton siis keksi että luontoa voi kuvata differentiaaliyhtälöillä ja että menetelmä on tehokas koska yhtälöt voivat olla luontoa yksinkertaisempia ja niitä voidaan laskennan keinoin myös ratkaista. Keksintö on suuri ja sen toteutusvaihe on kestänyt satoja vuosia. Historian valossa on kuitenkin todennäköistä että mikä tahansa keksintö ja niin myös tämä tulee jossain vaiheessa saturoitumaan, eli että aletaan kysyä sellaisia hyvin määriteltyjä kysymyksiä joihin vastaamiseen yhtälöiden ratkaisemiseen perustuva menetelmä ei olekaan enää tehokas.
-
Pekka Janhunen:
Differentiaaliyhtälöt eivät toki yksin riitä, käytetäänhän fysiikassa nykyään paljon muutakin matematiikkaa.
-
Arto Lindholm sanoo:
Muodot muuttuvat ajan kuluessa, ehkä myös teoriatkin, joita on pidetty lähes muuttumattomina. Gravitaatio on saanut jälleen uuden versionsa. Phys.org -sivulla kerrottiin eilen uudesta gravitaatioteoriasta, joka saattaa selittää mm. pimeän aineen. Uuden teorian takana on prof. Erik Verlinde, säieteorian erikoistuntija. Onko universumimme vain hologrammi, kolmiulotteinen näkymä, kaksiulotteisesta todellisuudesta?
-
Tieto ja spekulaatio ovat eri asioita. Ks. http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kysymysten_juurella
-
Newtonin ja Einsteinin aikanaan julkaisemat tiedot olivat myös aluksi spekulaatioita. Yhden spekulaatio on toisinaan toisen tieto. Eipä ole näkynyt pimeän aineen hiukkasia tai voimien välittäjäkvantteja, mutta kuitenkin pidetään melko varmana ”tietona” pimeän aineen olemassaoloa. Tämä on kuitenkin vain edelleen spekulaatiota pimeän aineen olemassaolosta. Verlinden spekulaatiossa ei tarvita pimeää ainetta. Verlinden spekulaatiossa kvanttilomittuminen on jotenkin järkevää, eikä terveen järjen vastaista.
-
”Yhden spekulaatio on toisinaan toisen tieto.”
Ei ole. Tieteelliset tosiseikat ovat yhteisiä ja yhteisöllisiä.
Pimeää ainetta pidetään luultavana, koska se selittää havaintoja ja on ennustanut oikein monia havaintoja joita ei muuten ole pystytty selittämään. Täyttä varmuutta asiasta ei silti ole, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/auringonpimennyksesta-pimeaan-aineeseen/ . Verlinden ideoiden tieteellinen tilanne on toisenlainen.
-
Newtonin alkuperäinen väite painovoimasta oli spekulaatio, joka sen hetkisen yleisen tietämyksen mukaan ei ollut vielä tiedon asemassa. Pari sataa vuotta newtonin painovoimateoriaa pidettiinkin loistavana tietona, Jumalalta. Sama tilanne oli myös yleisellä suhteellisuusteorialla, tosin ilman Jumalaa. Jossain vaiheessa spekulaatio muuttuu tiedoksi tai tieto palautuu spekulaatioksi uusien todisteiden valossa. Tämä vaihe vaatii ns. fyysisiä todisteita, joita teoria mahdollisesti ennustaa olevan.
Pimeän aineen luultavuutta ei voi pitää minään muuna kuin spekulaationa, elikä se ei ole vielä tietoa. Sinä itse sanoit tuolla aiemmin, että luulo (spekulaatio) ei ole tietoa. Gravitaatiostakaan ei ole löydetty kvanttia vaikka sen puolesta ”spekuloidaan”.
Toki newtonilainen teoria toimii, mutta ei kaikissa paikoissa. Siksi sen tilalle on etsitty parempaa teoriaa. Einsteinilainen teoria, yleinen suhteellisuusteoria, on tullut tilalle, mutta silläkin on ongelmansa. Sitä on mahdoton sovittaa kvanttimekaniikkaan. Tämä puolestaan vaikeuttaa ns. ”Kaiken teorian” valmistumista. Onko yleinen suhteellisuusteoria ja/tai kvanttimekaniikka väärässä? Gravitaatio saattaa ollakin samanlaista harhaa, niin kuin keskipakoisvoima?
Ehkä spekulointi on turhaa, kun kaikki nykyajan ”tiedot” ovat itsestään selviä, tällä nimenomaisella hetkellä. Tosin tieto saattaa muuttua ajan kuluessa, mutta sehän on taas sen ajan murhe. Tieto tuo tuskaa ja spekulaatio syyhyttää.
-
-
-
-
-
Kuvauksesi Newtonin gravitaatioteorian kehityksestä ei pidä paikkaansa. Se hyväksyttiin yleisesti, koska se selitti oikein tunnettuja ilmiöitä (kuten planeettojen radat) ja ennusti uusia.
Tämä riittäköön tästä.
-
Ilkka Vallinoja sanoo:
Lueskelin mielenkiinnolla kurssikalvosi Fysiikkaa runoilijoille. Mielenkiintoista luettavaa 80-luvulla fysiikkaa opiskelleelle. Hauska kuvitella millaista lyriikkaa tämä mahtaa poikia – toivottavasti Kosmokomiikan veroista.
Varsinainen asiani liittyy kvanttimekeniikkaosaan. Esittelet klassisia paradokseja ja niiden mahdollisia ratkaisuja. Schrödingerin kissan tapauksessa oleellinen jää mielestäni kuitenkin sanomatta (kuten yleensäkkin). Esitetyt ratkaisut vaikuttavat kovin antroposentrilitä ts. mielessä tai toisessa epämääräisyys lakkaa vasta ”tutkijan” kurkistaessa laatikkoon. Lähestyt tätä kysymyksellä ’Kuka kelpaa mittaajaksi? (mitä jos laitamme Shcrödingerin laatikkoon…)’ tekemättä kuitenkaan selvää päätelmää:
Jos Kööpenhaminan tulkinnan mukaisesti pätee:
mittaus = tapahtuma, joka romahduttaa aaltofunktion
ei samaan aikaan voi päteä:
mittaus = havaitsijan tuleminen tietoiseksi mittauksen tuloksesta
Asiaa voi havainnollistaa jalostamalla kissakoetta vähän:
Jotta asiaan saataisiin valoa, koe päätetään vihdoin toteuttaa. Vaikeuksia tulee kuitenkin eläinsuojelijoiden takia, mutta ei hätää vapaaehtoinen opiskelija löytyy – tässähän saisi nimensä tieteen historiaan. Inhimillisyyden nimessä ei kuitenkaan käytetä myrkkykapselia, vaan mahdollisesta kuolemasta tehdään äärimmäisen nopea. Opiskelija tietää mistä mittauksessa on kysymys. Nyt ainoa mahdollinen tulos on, että atomi ei hajoa, koska muusta tuloksesta havaitsija ei voi olla tietoinen.
Hedelmälllisempää kuin kysyä, romahtaako aaltofunktio ja milloin, olisi kai kysyä: mikä (tässä kvanttimekaanisessa mielessä) on mittaus?
-
Mittauksen kunnollinen kuvaaminen on tosiaan asian ytimessä. Monimaailma-ajatus liittyy läheisesti tähän, mutta ongelmaa ei ole vielä ratkaistu.
Ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/koopenhaminan-takana/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kahden-ikkunan-nakoala/
Versio kokeesta, jossa ihminen on osa koejärjestelyä (ei ihan kuvaamallasi tavalla), tunnetaan nimellä ”Wignerin ystävä”.
Kurssin osanottajat eivät (ainakaan pääsääntöisesti) olleet kirjaimellisesti runoilijoita.
-
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Suoraviivaista
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Alas huipulta
Voiko ajatella, että ainekenttä on yksi avaruusaikakenttä? Eikös massan ja varauksen lähde ole yhteinen ja varaukseltaan neutraalit hiukkaset voidaan katsoa sisältävän molemmat varaukset? Onko neutraalien hiukkasten positiomuutoksilla merkitystä muuten muuttumattomalle sm-/heikkovoima-kentälle? Mikä on ydinvuorovaikutuksen ja sähköheikon kentän teorioiden yhdistämisen tilanne?
Pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka ovat turhan kaukana merkinnän aiheesta.
Ajattelitko, että joku muu ottaisi vastatakseen, kun kysymyksen kuitenkin julkaisit? Vai vastaatko myöhemmässä merkinnässä kenttäteoriasta?
Kunhan muistutin linjasta.
Syksy: Tähän voi vastata kehittämällä mallin, jossa supersymmetristen hiukkasten massat ovat niin korkeita, että niitä ei kiihdyttimissä nähdä.
Motivaatiota 100 TeV törmäyttimille? Taivaat näyttävät esimerkkiä:
http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/11/29/cosmic-rays-may-reveal-new-physics-just-out-of-lhcs-reach/#68686a224da0
“Chiral symmetry restoration almost certainly plays a role in the cosmic ray collisions, and a more important role than it does at the LHC. So, quite possibly, this is the culprit here. But it might be something more exotic, such as new short-lived particles that become important at high energies and which make interaction probabilities deviate from the standard model extrapolation. Or maybe, with less than 3 sigma significance, it’s just a measurement fluke that will go away with more data. If the signal remains, however, that’s a strong motivation to build the next generation of larger, more energetic particle collider, and reach for the 100 TeV threshold. If we cross that milestone, our accelerators would then be as good as the heavens themselves.”
LHC tutkii samaa asiaa: https://home.cern/about/updates/2016/11/smallest-lhc-experiment-has-cosmic-outing
Tässä hieman lisää kosmisista säteistä:
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/vieraita_avaruudesta
Näin vanhana sähkömiehenä minusta tuntuu mukavalta, kun joku vaivautuu kirjoittamaan asioista selkeästi ja ymmärrettävästi.
Jatkaneet saamaan malliin?
Kiitos, yritän ainakin.
kolmanneksi viimeisestä kappaleesta: jossa supersymmetristen hiukkasten massat ovat niin korkeita,
hmmmm… montako millimetriä, kilometriä…
tarkoitit kai suuria?
Hupaista huomata, että nämä graafeista lähtevät mielikuvat hämäävät fyysikkoakin, ainahan saamme lukea kuinka vuorikiipeilyn suosio on matalalla ja luolasukelluksen harrastus korkealla!
terveisin Pekkanen
Suuria? Tarkoitatko montako kuutiomillimetriä, kuutiokilometriä…
Diletantin vastaus Pekka Voipiolle: fysiikassa (pieniä) massoja merkitään eV:issä eli energiassa, joka on paljon käsitettävämpää kuin muut arkiset mitat. Energia on joko korkea tai matala.
Oletko perehtynyt ΛCDM- ja ΛSIDM-mallien eroihin? Näyttäisi, että keskuudessaan vuorovaikuttava pimeän aineen malli olisi vahvistamassa asemaansa…
Aihe ei liity merkinnän aiheeseen, joten ei siitä tässä yhteydessä sen enempää. Saattaa olla, että palaan siihen myöhemmin.