Arkisto

Yhdistymisen määräyksiä

26.2.2017 klo 19.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kurssin Fysiikkaa runoilijoille aiheista on tällä kertaa vuorossa kvanttikenttäteoria. Aiemmissa osissa on käsitelty klassista mekaniikkaa ja uudenlaista kauneuden muotoa, suppeaa suhteellisuusteoriaa ja vääriä ideoita, yleistä suhteellisuusteoriaa ja suurta järjettömyyttä sekä kvanttimekaniikkaa ja ymmärryksen rajoja.

Viime vuosisadan alussa kehitetyt kvanttimekaniikka ja suppea suhteellisuusteoria laajensivat klassista fysiikkaa eri suuntiin. Kvanttimekaniikka muutti käsityksen aineesta ja siitä, että todellisuus olisi määrätty, suppea suhteellisuusteoria yhdisti ajan ja avaruuden aika-avaruudeksi. Suppealla suhteellisuusteorialla ei ole aineesta juuri sanottavaa, eikä toisaalta kvanttimekaniikka koskenut klassisen mekaniikan käsitykseen absoluuttisesta ajasta ja avaruudesta.

Paul Dirac koetti jo 1920-luvulla sovittaa kvanttimekaniikkaa yhteen suppean suhteellisuusteorian kanssa ja löysi yrityksessä spinin ja antihiukkaset. Teoriat saatiin kuitenkin tyydyttävästi liitettyä vasta vuonna 1948, kun Richard Feynman, Julian Schwinger ja Sin’ichirō Tomonaga muotoilivat ”valon ja aineen ihmeellisen teorian”, kvanttielektrodynamiikan eli QED:n. QED oli ensimmäinen kvanttikenttäteoria.

Aiemmin erillisinä pidettyjen asioiden liittäminen yhtenäisteorioissa myös yleensä paljastaa uusia piirteitä. Kun James Maxwell 1860-luvulla liitti sähkön ja magnetismin sähkömagnetismiksi, hän yllättäen osoitti valon olevan sähkömagneettista aaltoliikettä ja ennusti näkymättömän valon.

Kvanttimekaniikka oli sumentanut käsitystä siitä, mitä hiukkaset ovat. QED selvensi tilannetta: hiukkaset eivät ole perustavanlaatuisia rakennuspalikoita, vaan kentät. Maxwellin sähkömagnetismi oli tuonut kentät hiukkasten rinnalle, QED:ssä niin aine kuin valo koostuu kentistä, hiukkaset ovat vain kenttien paikallisia tihentymiä.

QED:n tärkein uusi piirre oli se, että ensimmäistä kertaa teoria määräsi alusta alkaen, millaisia vuorovaikutuksia maailmassa on.

Klassisen mekaniikan ytimessä on Newtonin toinen laki. Se kertoo, miten kappale liikkuu, kun siihen kohdistuu tietty voima. Newtonin teoria ei kuitenkaan kerro, millaisia voimia kappaleiden välillä on, ne pitää erikseen keksiä tai määrittää kokeellisesti. Schrödingerin yhtälöllä on kvanttimekaniikassa sama rooli: se kertoo, miten hiukkasen aaltofunktio leviää avaruudessa, kun se on tietynlaisessa potentiaalissa. Potentiaali, kuten voima, on tapa kuvata hiukkasten vuorovaikutusta, eikä kvanttimekaniikka kerro, millaisia potentiaaleja on olemassa.

Kvanttikenttäteoriassa on toisin, sen rakenne rajoittaa tiukasti sitä, millaiset vuorovaikutukset ovat mahdollisia. QED:ssä on vain yksi mahdollinen perusvuorovaikutus. Se kertoo kaiken, mitä elektronit ja fotonit voivat tehdä keskenään, kuten valon siroaminen elektroneista, elektronien keskinäinen hylkiminen, elektronien ja positronien annihilaatio tai fotonien muuttuminen elektroni-positroni -pareiksi.

Lisäksi kvanttikenttäteoria rajoittaa sitä, millaisia hiukkasia on olemassa. QED sanelee fotonin ominaisuudet tismalleen. QED kuvasi vain fotoneita ja elektroneja (ja muita sähköisesti varattuja hiukkasia) ja sähkömagneettista vuorovaikutusta. Kun kvanttikenttäteoriaa on laajennettu kuvaamaan kaikkea ainetta ja vuorovaikutuksia (gravitaatiota lukuun ottamatta), niin se on rajoittanut myös ainehiukkasten ominaisuuksia ja olemassaoloa. Tämä helpottaa teorioiden rakentamista: mitä enemmän rajoitteita on, sitä helpompi on valita oikea suunta, ja mitä vähemmän valinnanvapautta teorian muotoilussa on, sitä ennustusvoimaisempi se on.

On mahdollista rakentaa erilaisia kvanttikenttäteorioita. Ensin valitaan symmetria, se kertoo, millaisia välittäjähiukkasia on olemassa sekä rajoittaa mahdollisia ainekenttiä ja niiden vuorovaikutuksia. Esimerkiksi hiukkasfysiikan Standardimallin rakenne vaatii, että elektronilla on parina neutriino.

Suppea suhteellisuusteoria eteni kvanttikenttäteorian lisäksi myös toiseen suuntaan yleisen suhteellisuusteorian myötä, kun aika-avaruudesta tuli aktiivinen toimija. Yleistä suhteellisuusteoriaa ja kvanttikenttäteoriaa ei ole vielä saatu kokonaan yhdistettyä siten, että myös aika-avaruutta osattaisiin kuvata kvanttifysiikan keinoin, vaikka kosmisessa inflaatiossa onkin päästy alkuun. Kvanttikenttäteoriaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa kuitenkin käytetään yhdessä siten, että edellinen kertoo, millaista ainetta on ja jälkimmäinen sen, miten aika-avaruus reagoi aineeseen, etenkin miten maailmankaikkeus laajenee. Tämä kuuluu kosmologiaan, joka onkin Fysiikkaa runoilijoille -sarjan seuraava aihe.

18 kommenttia “Yhdistymisen määräyksiä”

Pentti S. Varis sanoo:

26.2.2017 20:59

https://phys.org/news/2011-11-scientists-vacuum.html
Virtuaalisia fotoneja on jo transformoitu todellisiksi fotoneiksi lisäämällä sopivinkeinoin niiden energiaa. Massallisia hiukkasia ei ole saatu vielä muodostumaan massan tarvitseman suuremman energian johdosta. Kuitenkin joka tapauksessa todellisten hiukkasten voi ajatella syntyvän vakuumin virtuaalisten hiukkasten ”merestä”.

Se, mikä rupesi askarruttamaan, on tietömättömyyteni siitä, millaisten vuorovaikutusten avulla ”todellisista” hiukkasista koostuvan näkyvän maailmamme aines on saanut syntynsä virtuaalisesta, ja miten se tuntuu ryhmittyneen esim. esineiksi ja olevan varsin pysyvää laatua. Siis millaista olisi kansantajuinen kemian selittäminen kvanttikenttäteorian termein? (Englanninkielisin klikkauksin en heti löytänyt vastausta netistä).

Vastaa
Pentti S. Varis sanoo:

26.2.2017 21:38

En tiedä, onko ihmettelyni oikein viisasta, mutta askarruttaa vielä tämäkin. Pysyviä alkuaineita on noin sata, isotoopit eritellen monta sataa. Kaikilla niillä on omat, toisistaan usein paljon poikkeavat kemialliset ominaisuudet, jotka jotenkin johtuvat atomit koostavista erityyppisistä vakuumin eksitaatioista: protoneista, neutroneista jne., joita ei liene atomissa kovin monta erilaista. Kuitenkin niiden erilaisilla kokoelmilla, eri atomeilla, on suuret keskinäiset erot.
Tekisi mieli tietää, olisiko jo niiden perustana olevissa kentissä senkaltaisia eroja tai ominaisuuksia, että niiden eksitaatiot atomeiksi kertyneinä tuottaisivat suuret kemialliset ja materiafysikaaliset erot.

Vastaa
1. Syksy Räsänen sanoo:
  
  26.2.2017 23:09
  
  Alkuaineiden kemiallisten erojen merkittävin syy on se, että alkuaineilla on eri määrä elektroneja, jotka pinoutuvat eri tavalla ytimen ympärille. Tämä ei juuri liity merkinnän aiheeseen, joten ei siitä sen enempää.
  
  Vastaa
Eusa sanoo:

26.2.2017 21:43

https://arxiv.org/pdf/1507.08277.pdf

Olisiko soluautomaattirakenteella annettavaa kvanttikenttäteorioille?

Vastaa
1. Syksy Räsänen sanoo:
  
  26.2.2017 23:11
  
  Ehdotuksia fysiikasta kvanttikenttäteorian tuolla puolen on paljon, mutta ne eivät ole merkinnän aiheena, joten ei niistä sen enempää.
  
  Vastaa
Harri Pohja sanoo:

28.2.2017 01:19

Kiitos mielenkiintoisesta blogistasi, odotan aina innolla uusia kirjoituksiasi!

Onko gravitoni täysin hypoteettinen alkeishiukkanen vai onko sillä jokin rooli standardimallissa? Jos gravitoni olisi gravitaation välittäjähiukkanen, mikä olisi Higgsin bosonin ja gravitonin ”työnjako” gravitaatiossa?

Vastaa
1. Syksy Räsänen sanoo:
  
  28.2.2017 14:24
  
  Gravitaatio ei ole osa Standardimallia, se kuuluu kokonaan yleiseen suhteellisuusteoriaan. Gravitaatio on aika-avaruuden ominaisuus, sitä ei kuvaa mikään aika-avaruudessa oleve kenttä. Gravitoni on eräs tapa kuvailla pieniä muutoksia yleisessä suhteellisuusteoriassa.
  
  Higgsillä ei ole mitään tekemistä gravitaation kanssa. Higgsin kenttä antaa massat tunnetuille alkeishiukkasille (neutriinojen massojen alkuperästä ei tosin ole varmuutta), mutta gravitaatio kertoo, miten massat (ja muut aineen ominaisuudet) vaikuttavat aika-avaruuteen.
  
  Vastaa
  1. Harri Pohja sanoo:
    
    2.3.2017 22:49
    
    Kiitos, tämä selvensi.
    
    Vastaa
miquel sanoo:

2.3.2017 17:30

Hei! Mitä tarkoittaa tuo ”pieniä muutoksia yleisessä suhteellisuusteoriassa” ? Minkälaisia muutoksia?

Vastaa
1. Syksy Räsänen sanoo:
  
  2.3.2017 18:00
  
  Se olikin epäselvästi ilmaistu, pari sanaa nähtävästi leikkautui vahingossa pois! Tuossa pitäisi lukea ”tapa kuvata pieniä muutoksia aika-avaruudessa yleisessä suhteellisuusteoriassa”. Ajatuksena on siis se, että heikkoja gravitaatioon liittyviä ilmiöitä (esimerkiksi Auringon gravitaatiokenttä tai gravitaatioaallot), niin niitä voi kuvata gravitonien avulla. Sen sijaan isoja muutoksia, kuten mustaa aukkoa, ei voi.
  
  Vastaa
Pentti S. Varis sanoo:

7.3.2017 23:18

Jos virtuaalisten fotonien energiaa sopivalla tavalla (eränlaisella peilillä) kasvatetaan, saadaan reaalisia, havaittavia fotoneita; linkissä arasteleva ensiuutinen v. 2011:

http://www.nature.com/news/2011/110603/full/news.2011.346.html

Nyttemmin arvellaan, että muidenkin hiukkasten virtuaalisia muotoja (kenttien eksitaatioita) voitaisiin tehdä reaalisiksi riittävän lisäenergian avulla.

Herää kysymys, ovatko suurienergiaisten törmäytysten yhteydessä syntyvät reaalisten hiukkasten pilvet muodostuneet saman tapaisella tavalla? Eli ovatko useat eri hiukkaset ”odottaneet” virtuaalisina energialisää törmäyskohdan lähellä?

Millähän ”mekanismilla” em. hiukkaset saavat riittävästi törmäyksen energiaa muuttuakseen reaalisiksi? Lämpösäteilynä tai muiden fotonien muodossa?

Mieleen tulee myös epämääräinen kysymys, olisiko ajateltavissa, että myös gravitonit, jos sellaisia on, ja jos ne olisivat nyt virtuaalisia, saisivat reaalisemman hahmon vastaavalla energian lisäyksellä. Jos näin olisi, voisiko niiden reaalisista muodoista jotenkin arvioida eri kvanttigravitaatioteorioiden pätevyyttä?

Tämäkin lienee tyhmä kysymys: Voisivatkohan virtuaalisten hiukkasten ”meressä” jollain tavalla päteä reaalimaailman luonnonlait?

Vastaa
1. Syksy Räsänen sanoo:
  
  8.3.2017 13:49
  
  Virtuaaliset hiukkaset ovat kvanttikenttäteorian laskennallinen apuvälinen. Tarkemmin, ks.
  
  http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/naennainen_todellisuus
  
  Vastaa
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Painon välittäjästä
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Kissan kanssa laatikossa
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Konservatiivisuuden nokareet
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Alas huipulta
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Parempi väärässä kuin sekaisin
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Maxwellin tiimalasi

Vastaa Peruuta vastaus

Rajaton tiede

10.2.2017 klo 18.18, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Joukko tähtitieteilijöitä ja kosmologeja, minä heidän joukossaan, on sitoutunut boikotoimaan tieteellisiä konferensseja Yhdysvalloissa kunnes niihin on mahdollista päästä kansalaisuudesta riippumatta. Vetoomuksella Science Undivided on nyt yli 600 allekirjoittajaa, enimmäkseen tähtitieteestä ja kosmologiasta, mutta tieteilijät kaikilta aloilta on kutsuttu mukaan.

Syynä on Yhdysvaltojen uuden hallituksen laittama täydellinen maahantulokielto seitsemän maan kansalaisille. Kiellon oli määrä koskea myös kaksoiskansalaisia, mukaan lukien 11 000 suomalaista. Tuomioistuimet ovat toistaiseksi pysäyttäneet kiellon toimeenpanon muun muassa sillä perusteella, että sen tarkoituksena on syrjiä muslimeita. Tilanteen kehitys on vielä epäselvä.

Boikotin laittoi alulle Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen tähtitieteilijä Till Sawala, lehdistötiedotteessamme hän selittää asiaa näin:

”Toivon, että aloitteemme omalta pieneltä osaltaan auttaa saamaan kiellon kumottua. Mutta käytännön kysymyksen lisäksi minulle on kyse henkilökohtaisesta moraalisesta kysymyksestä: jos ilmoittautuisin nyt konferenssiin Yhdysvalloissa, minusta tuntuisi kuin ottaisin osaa toisten poissulkemiseen.”

Kiellon vaikutus tieteilijöihin ei ole teoreettinen, sillä oli käytännön seurauksia ensimmäisestä päivästä lähtien. Olemme keränneet sivuillemme joidenkin tutkijoiden tarinoita. Helsingin yliopistossa työskentelevä kollegani Venus Keus kertoo seuraavaa:

”Postdoc-tutkijana on hyvin tärkeää, että teen yhteistyötä tutkijoiden kanssa ympäri maailmaa. Olen työskennellyt hyvin pitkään ja hyvin ahkerasti päästäkseni siihen, missä olen nyt. Työskenteleminen University of California Santa Cruzin prof. Howard Haberin, maailmankuulun fyysikon, kanssa on ollut unelmani, ja kaikki oli valmiina matkaa varten. Unelma mureni kun sain sähköpostin Yhdysvaltojen suurlähetystöstä, jossa viisumitapaamiseni peruttiin. Niin pahalta kuin minusta tuntuukin, tiedän, että tilanne on vielä pahempi niille, joiden elämä on Yhdysvalloissa ja jotka eivät pääse palaamaan sinne.”

Helsingin Sanomat ja Kansan Uutiset ovat uutisoineet boikotista, samoin Science. Nature otti boikottimme -ja toisen paljon enemmän allekirjoituksia keränneen boikotin- niin vakavasti, että omisti pääkirjoituksen niiden arvostelemiseen. (Sivumennen sanoen, Nature väitti virheellisesti Till Sawalan sanoneen, että tavoitteenamme olisi estää uusien maiden lisääminen kieltolistaan. Tosiasiassa pyrimme pääsemään siitä kokonaan eroon. Korjauspyynnön jälkeen lehti on muuttanut muotoilua niin, että se on vain harhaanjohtava, ei enää kirjaimellisesti virheellinen.)

Naturen mukaan yhdysvaltalaisten konferenssien boikotoiminen haittaa lähinnä yhdysvaltalaisia tutkijoita eikä ”tutkimusten mukaan” boikoteista ole hyötyä. Nature viittaa yhteen tutkimukseen, jonka se väittää osoittavan seuraavaa:

”Etelä-Afrikan akateeminen boikotti 1980-luvulla, jonka tarkoituksena oli vastustaa apartheidia, ei näytä haitanneen eteläafrikkalaisia yrityksiä tai hallitusta ollenkaan. Sen sijaan se loi kuiluja eteläafrikkalaisten ja muun maailman tutkijoiden välille.”

Naturen väite on väärin mielenkiintoisilla tavoilla, jotka valaisevat akateemisten boikottien merkitystä ja suhtautumista niihin. (Olen aiemmin kirjoittanut Etelä-Afrikan ja Israelin akateemisista boikoteista tarkemmin.)

Tutkimus, johon Nature viittaa, käsittelee sijoitusten poisvetämistä Etelä-Afrikasta. Tutkimuksen mukaan sillä ei ollut suurta vaikutusta Etelä-Afrikan talouteen. Pitipä johtopäätös paikkansa tai ei, tutkimus ei käsittele akateemisia boikotteja. Sen kysymyksenasettelulla ja tuloksilla ei ole mitään tekemistä akateemisten boikottien kanssa, eikä akateemisten boikottien tavoitteena ole taloudellinen haitta.

Naturea pidetään, ainakin joillakin luonnontieteen aloilla, huippulehtenä ja siksi pääkirjoitus on kuvaava esimerkki siitä, miten erilaiset argumentoinnin standardit ovat politiikassa kuin tieteessä. Nature tuskin julkaisisi tieteellistä artikkelia, jonka keskeisiä väitteitä perustellaan tutkimuksella, jotka käsittelee aivan muuta aihetta (ja joka esittää positiivisen tuloksen negatiivisena – alla tarkemmin ”kuiluista”).

Luonnontieteilijät kehittyvät opiskellessaan ja tutkimusta tehdessään analyysin ammattilaisiksi, jotka ovat oikeutetusti ylpeitä siitä, että he osaavat keskittyä ongelmien oleellisiin piirteisiin ja muotoilla selkeitä kysymyksiä. Analyysi tarvitsee kuitenkin pohjakseen sekä tietoa että ongelmaan sopivan viitekehyksen, muuten työkaluilla ei ole mitään, mihin pureutua. Lisäksi politiikka, toisin kuin fysiikka, käsittelee asioita, joista meillä on valmiiksi ennakkokäsityksiä, minkä takia tiedostamattomien asenteiden vaikutus analyysiin on verrattomasti isompi.

Tämä ei tarkoita sitä, etteivätkö tieteilijät voisi osallistua poliittiseen keskusteluun, mutta väitteiden perusteista on syytä olla yhtä huolellinen kuin täsmällisemmillä aloilla. Politiikkaan liittyvistä kysymyksistä onkin paljon raportointia ja tutkimusta, jota voi hyödyntää.

Etelä-Afrikan akateemisen boikotin vaikutuksesta on julkaistu esimerkiksi Lorraine J. Haricomben ja F.W. Lancasterin tutkimus Out in the Cold. Siitä aiemmin siteeraamani eteläafrikkalaisen akateemikon kommentti valaisee ytimekkäästi akateemisen boikotin tavoitetta ja sen saavuttamista:

”Akateeminen boikotti on tehokkaasti muuttanut akateemikkojen asenteita yliopistoissa ja katalysoinut muutosta laajemmassa yhteiskunnassa – esimerkiksi akateemikkojen kautta, jotka istuvat johtokunnissa tai päätöksentekoprosesseissa yliopiston ulkopuolella. Se on herkistänyt akateemikkoja … ajattelemaan uudelleen toimintatapaansa monissa eri yhteyksissä.”

Akateeminen boikotti pyrki luomaan eteläafrikkalaisille eristämisen tunteen. Toisin sanoen, se ”kuilun luominen eteläafrikkalaisten ja muun maailman tutkijoiden välille”, jota Nature pitää merkkinä akateemisen boikotin epäonnistumisesta, oli osoitus sen menestyksestä. (Mainittakoon, että akateeminen boikotti on vieläkin kiistelty aihe. Sitä on esimerkiksi arvosteltu siitä, että se kohdistui kaikkiin eteläafrikkalaisiin. Israelin akateeminen boikotti kohdistuukin instituutioihin, ei yksilöihin.)

Naturen väärinkäsitys akateemisesta boikotista liittyy puutteelliseen kuvaan siitä, miten politiikka toimii. Apartheid Etelä-Afrikassa (ja Israelissa nykyään) ei ollut vain hallituksen projekti, vaan sillä oli laaja kannatus sen väestönosan keskuudessa, jonka etuoikeuksia se ylläpiti. Akateeminen boikotti, kuten urheiluboikotti, pyrki horjuttamaan tuota tukea osoittamalla, että apartheidia ei hyväksytä.

Naturen argumentoinnissa on myös sellainen iso ongelma, että yhdysvaltalaisten konferenssien boikotti on hyvin erilainen kuin Etelä-Afrikan tai Israelin akateemiset boikotit. Jälkimmäisten tapauksessa maan akateeminen yhteisö tuki politiikkaa, jota boikotit vastustivat, ja se oli sen takia boikottien kohteena. Yhdysvalloissa akateeminen yhteisö ei tue maahantulokieltoa: yliopistot, tieteelliset järjestöt ja kymmenet tuhannet yksittäiset tieteilijät ovat julistaneet vastustavansa sitä.

Yhdysvaltalaisten konferenssien boikotin kohteen ei olekaan tiedeyhteisö: sen tarkoituksena on auttaa tiedeyhteisöä ja journalisteja tekemään suurelle yleisölle ja päättäjille selväksi, että maahantulokielto vahingoittaa myös Yhdysvaltoja. Kiellolla on nimittäin laaja kannatus: mielipidemittausten mukaan noin puolet kansalaisista kannattaa sitä. Toisin kuin vähemmän ehdottomat kansalaisuuteen perustuvat rajoitukset, kuten erilaiset viisumisäädökset, se ei kuitenkaan ole vakiintunutta politiikkaa, joten mielipide saattaa muuttua nopeasti, jos kiellosta osoittautuu olevan haittaa ja sitä vastustetaan.

Toisin kuin Naturen pääkirjoitus antaa ymmärtää, politiikkaa ei tehdä vain presidentin kansliassa, vaan kaikkialla yhteiskunnassa. Boikottia tukevan yhdysvaltalaisen kollegani Rocky Kolbin sanoin: ”Meidän on oltava tieteilijöitä ilman rajoja.”

2 kommenttia “Rajaton tiede”

Kari sanoo:

20.2.2017 13:35

Politiikkaa ei tulisi sotkea mukaan tieteen tekoon.

– Mutta sitähän nämä boikotoijat itsekin tekevät.

Vastaa
1. Syksy Räsänen sanoo:
  
  20.2.2017 17:18
  
  Boikotin perusteluissa, sen enempää kuin tässä blogimerkinnässä, ei vastustea maahantulokieltoa siksi, että se sotkisi tiedettä ja politiikkaa. Sitä vastustetaan siksi, että se on epäoikeudenmukainen.
  
  Politiikan ja tieteen suhteesta enemmän täällä:
  
  http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/ammattimainen_omatunto
  
  http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/akateemista_painoarvoa
  
  http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/ympariston_vaikutus_olomuodon_muutoksissa
  
  http://www.hs.fi/tiede/art-2000002763217.html
  
  Vastaa