Arkisto
- syyskuu 2023
- elokuu 2023
- kesäkuu 2023
- toukokuu 2023
- huhtikuu 2023
- maaliskuu 2023
- helmikuu 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
- marraskuu 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
Palikkatesti
Kirjoitin viime kuussa siitä, miten Gerardus ‘t Hooft ja Martinus J. G. Veltman vuonna 1971 osoittivat, että hiukkasfysiikan Standardimallissa on vain äärellinen määrä erilaisia vuorovaikutuksia hiukkasten välillä. Tämän läpimurron takia Standardimallista voi luotettavasti ennustaa havaintoja ilman lisäoletuksia.
Standardimalli kuvaa kaikkea tunnettua fysiikkaa gravitaatiota lukuun ottamatta, joten tulos oli hyvin merkittävä. Todistuksessa käytetty menetelmä, renormalisaatio, on myös suuresti johdattanut hiukkasfysiikkaa vuosikymmenien ajan, mutta ei aina hedelmälliseen suuntaan.
Kun kvanttikenttäteoriaa lähdetään rakentamaan, siinä on yleensä vain pieni määrä erilaisia vuorovaikutuksia kenttien välillä. Esimerkiksi sähkömagnetismin tapauksessa niitä on vain yksi: sellainen missä elektroni lähettää fotonin.
Erilaisia tapahtumia voidaan selittää kasaamalla yhdestä palikasta isompia kokonaisuuksia. Jos sen kääntää ajassa ympäri, niin saa vuorovaikutuksen, missä elektroni vastaanottaa fotonin. Jos tämän laittaa yhteen edellisen palikan kanssa, tuloksena on tapahtuma, missä elektronit vuorovaikuttavat toistensa kanssa vaihtamalla fotonin. Tämä kuvaa sitä, miten sähkövaraukset hylkivät toisiaan. Laittamalla samat kaksi palikkaa hieman eri järjestykseen saa tapahtuman, missä elektroni ja sen antihiukkanen positroni annihiloituvat, eli häviävät ja synnyttävät kaksi fotonia.
Sähkövarausten hylkiminen ja aineen ja antiaineen annihilaatio vaikuttavat aivan erilaisilta ilmiöiltä, mutta kvanttikenttäteoriassa ne ovat samanlaisia yksinkertaisia seurauksia sähkömagnetismin perusvuorovaikutuksesta.
Mitä tarkemmin kvanttiefektejä laskee, sitä useampia uudenlaiselta näyttäviä palikoita ne tuovat mukaan teoriaan. Jos teoria on renormalisoituva, nämä kaikki vuorovaikutukset voidaan kuitenkin esittää alkuperäisten palikkojen avulla.
Esimerkiksi sähkömagnetismissa alkuperäinen vuorovaikutus, missä elektroni lähettää fotonin, näyttää yksinkertaiselta vain jos sitä katsoo karkeasti. Syvemmälle syynätessä näkyy, että karkeampi kuva koostuu pienemmistä osasista, joissa on sitä enemmän palikoita mitä tarkemmin katsoo. Elektronin sähkövaraus (eli se, miten vahvasti se kytkeytyy fotoniin) riippuu fotonin energiasta, mutta vuorovaikutus säilyy muuten samanlaisena. Renormalisoituvassa teoriassa tarkemmat laskut paljastavat vain hienompaa rakennetta alkuperäisissä vuorovaikutuksissa, eivät tuo mukaan muuta uutta.
Kvanttikorjauksissa kaikki kentät vuorovaikuttavat toisiinsa. Standardimallissa Higgsin hiukkasen (ja vain Higgsin hiukkasen) massa on herkkä näille kvanttikorjauksille. Niiden kautta isomassaiset hiukkaset tekevät myös Higgsistä raskaan: Higgsin massa on suunnilleen yhtä iso kuin raskaimman hiukkasen massa.
Standardimallissa näin on. Higgs on suunnilleen yhtä raskas kuin top-kvarkki, raskain tunnettu hiukkanen. Mutta jos raskaampia hiukkasia on olemassa, miksi Higgsin hiukkasen massa on pienempi kuin niiden? Tämä kysymys tunnetaan nimellä hierarkiaongelma, ja siitä on kirjoitettu satoja tai tuhansia tieteellisiä artikkeleita.
Hierarkiaongelman taustalla on se, että 1970-luvulla ajateltiin, että Standardimalli on osa suurta yhtenäisteoriaa. Suuren yhtenäisteorian toistaiseksi tuntemattomien hiukkasten pitää olla paljon raskaampia kuin tunnettujen, koska muuten niistä olisi nähty merkkejä.
Tämä johdatti supersymmetriana tunnetun idean soveltamiseen hiukkasfysiikkaan. Supersymmetria katkaisee Higgsin riippuvuuden raskaampien hiukkasten massoista. Toinen yritys oli tekniväri, missä Higgs ei ole alkeishiukkanen. Silloin Higgsin massa (kuten kvarkeista ja gluoneista koostuvan protonin massa) määräytyy siitä millaisia osia siinä on ja miten ne vuorovaikuttavat, eivätkä raskaammat hiukkaset vaikuta siihen.
Yhteistä molemmille selityksille on se, että Higgsin massaa vastaavilla energioilla pitäisi näkyä uutta fysiikkaa, joka muuttaa Higgsin käytöstä siitä mitä Standardimallin ennustaa.
Nyt LHC–hiukkaskiihdyttimessä on luodattu energioita, jotka ovat Higgsin massaa kymmenen kertaa isompia, eikä supersymmetriasta, tekniväristä tai muista Standardimallin laajennuksista ole näkynyt merkkiäkään. Niinpä yhä useampi fyysikko saattaa olla valmis ratkaisemaan ongelman yksinkertaisella tavalla: ehkä Higgs ei ole raskaampi siksi, että raskaampia hiukkasia ei ole olemassa.
Raskaampia hiukkasia ei välttämättä tarvita kosmologian neljän suuren avoimen ongelman ratkaisemiseen. Vuodesta 2007 alkaen on hahmotettu, että kosmisen inflaation voi hoitaa Higgsillä. Pimeä aine sekä aineen ja antiaineen epäsuhta voidaan selittää uusilla hiukkasilla, jotka ovat Higsin hiukkasta kevyempiä, erimerkiksi aksioneilla tai oikeakätisillä neutriinoilla kuten kauniissa NUMSM–mallissa. Neljättä ongelmaa, kiihtyvää laajenemista, ei taasen yleensä edes yritetä selittää raskailla hiukkasilla.
Tässä on se hyvä puoli, että kevyempiä hiukkasia voi olla helpompi havaita kuin raskaita, koska niiden tuottamiseen tarvitaan vähemmän energiaa. Havaitsemista toisaalta vaikeuttaa se, että monet ehdotetut uudet kevyet hiukkaset (kuten aksionit ja oikeakätiset neutriinot) vuorovaikuttavat hyvin heikosti. Osa teoreetikoista ja kokeilijoista onkin kääntynyt kaavailemaan energioiden kasvattamisen sijaan törmäysten määrän nostamista kiihdyttimissä heiveröisten vuorovaikutusten erottamiseksi, kuten ehdotetussa CERNin SHIP-kokeessa.
29 kommenttia “Palikkatesti”
Vastaa
Sulka ja vasara
Toinen elokuuta vuonna 1971 David Scott pudotti oikeasta kädestään haukansulan ja vasemmasta vasaran. Koska hän oli Kuussa, missä ei ole ilmakehää, ne osuivat kamaraan yhtä aikaa. Nauhoitus on katsottavissa avaruusjärjestö NASAn YouTube-kanavalla. Siinä Scott sanoo leikillisesti, että koska Galileo Galilei on yksi syy siihen, että hän oli Kuussa, se on hyvä paikka varmistaa tämän teoria siitä, että kaikki kappaleet putoavat samaa tahtia niiden koostumuksesta riippumatta.
Galilei oli pohtinut 1600-luvulla kappaleiden pudottamista Pisan kaltevasta tornista, mutta ei ilmeisesti koskaan tehnyt sellaista koetta. Sen sijaan hän vertasi erimassaisia heilureita ja totesi, että ne kaikki liikkuvat samalla tavalla, noin prosentin tarkkuudella.
Isaac Newtonin gravitaatioteoria selitti ilmiön vuonna 1686. Sen mukaan kappaleen kiihtyvyys on verrannollinen siihen kohdistuvaan voimaan jaettuna kappaleen massalla, ja gravitaatiovoima on verrannollinen kappaleen massaan. Massiivisempiin kappaleisiin kohdistuu isompi voima, mutta niitä pitää myös puskea enemmän, joten kappaleet liikkuvat samalla tavalla massasta riippumatta.
Selitys avaa kuitenkin heti uuden kysymyksen. Painava massa (joka määrää gravitaation voimakkuuden) ja hitausmassa (joka kertoo miten paljon kappaleita pitää työntää) ovat aivan erilaisia asioita. Esimerkiksi sähkövoima on verrannollinen sähkövaraukseen massan sijaan, joten eri kappaleet liikkuvat eri tavalla sähkökentässä. Miksi gravitaatiovaraus eli painava massa sen sijaan liittyy hitauteen?
1800-luvun lopulle tultaessa fyysikko Loránd Eötvös oli kasvattanut painavan massa ja hitausmassan eron mittauksen tarkkuutta prosentin miljoonasosaan. Kehittäessään yleistä suhteellisuusteoriaa vuodesta 1907 alkaen Albert Einstein otti yhdeksi lähtökohdaksi tämän oudon yhteensattuman massojen välillä. Hän arveli, että gravitaatio ja hitaus liittyvät toisiinsa siksi, että gravitaatiossa on kyse aika-avaruuden ominaisuuksista.
Idea vei Einsteinin oikealle polulle, ja yleinen suhteellisuusteoria lopulta selitti asian tyydyttävästi. Sen mukaan gravitaatio ei ole voima, vaan aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä. Kappaleet joihin ei vaikuta voimia liikkuvat suoraa reittiä kaarevassa aika-avaruudessa. Suorat reitit ovat samoja kaikille, ne eivät riipu siitä kuka niitä kulkee.
Tapaus havainnollistaa sitä, että joskus ratkaiseva vihje oikean teorian löytämiselle fysiikassa ei liity ristiriitaan havaintojen ja teorian välillä. Painavan massan ja gravitaatiomassan läheisyys 1800-luvun lopulla ei ollut ristiriidassa minkään teorian tai muun havainnon kanssa. Empiirisyydessä on kyse paljon muustakin kuin teorioiden ennusteiden vertaamisesta havaintoihin. Joskus kokeet jotka eivät löydä mitään ovat yhtä tärkeitä kuin kokeet, jotka paljastavat jotain uutta.
Sitä putoavatko kappaleet samalla tavalla on sitten Einsteinin päivien mitattu monin tavoin. Yksi keino on verrata Maan ja Kuun liikettä Auringon ympäri. Jos ne eivät putoa (eli kierrä) samaa tahtia, niin Maan ja Kuun etäisyys toisistaan muuttuu ajan myötä. Apollo 15 -lento, jossa Scott oli mukana, jätti Kuuhun peilin, joka heijastaa valonsäteet takaisin niiden tulosuuntaan. Myös lennot Apollo 11 ja 14 sekä Lunokhod 1 ja 2 veivät vuosina 1969-73 tällaisia peilejä Kuuhun. Mittaamalla lasersäteen matka-ajan Maasta Kuussa olevaan peiliin ja takaisin niiden etäisyyden muutosta voidaan seurata millimetrien tarkkuudella. Kokeiden mukaan Kuu ja Maa kiertävät Aurinkoa samalla tavalla ainakin kymmenestuhannesosan miljardisosan tarkkuudella.
Tiukimman rajan on antanut vuonna 2016 laukaistu MICROSCOPE-satelliitti, jonka tulokset julkaistiin viime syyskuussa. MICROSCOPEn sisällä oli kaksi eri metalleista valmistettua sisäkkäistä sylinteriä, ja kokeessa seurattiin liikkuvatko ne toistensa suhteen. Kuten Kuussa, kiertoradalla on rauhallisempaa kuin kaikenlaisista häiriöistä kärsivällä Maapallolla. Koeryhmä totesi, että kappaleet putoavat samalla tavalla miljoonasosan miljardisosan tarkkuudella.
Nykyään näitä kokeita tehdään juuri siksi, että yleisen suhteellisuusteorian mukaan mitään ei pitäisi näkyä. Samaa tahtia putoaminen on herkkä testi siitä, minne yleisen suhteellisuusteorian pätevyysalue ulottuu. On satoja laajennuksia yleiselle suhteellisuusteorialle, ja monissa niistä kappaleet putoavat hieman eri tavalla. Yli sadan vuoden ajan yleinen suhteellisuusteoria on selvinnyt kaikista kokeista, mutta koetus jatkuu.
35 kommenttia “Sulka ja vasara”
-
Antti sanoo:
tippuuko ne myös kvanttimaailman kokoluokassa samaan aikaan vai onko siinä joku
vähimmäiskoko johon kokeen rajat tulevat vastaan?
-
Syksy Räsänen sanoo:
Hyvä kysymys. Yksittäisten hiukkasten, jotka ovat tilassa jossa kvanttiefektit ovat merkittäviä, putoamista gravitaatiokentässä on mitattu. Tuloksena on, että ne putoavat samaa tahtia. Teoreettisesti jossain vaiheessa myös gravitaatiota pitäisi käsitellä kvanttifysiikan mukaisesti, mutta se lienee vielä kokeista kaukana. (Lukuun ottamatta kosmista inflaatiota varhaisessa maailmankaikkeudessa.)
-
-
Rotannahka sanoo:
painovoimalain toimivuudesta erittäin pienillä etäisyyksillä;
mikäli teemme reiän omenan läpi, ja muurahainen kävelee tämän kautta omenan keskiöön – eikö Newtonin lain m1 x m2 / r^2 mukaan painovoiman pitäisi lähestyä ääretöntä välimatkan lähestyessä nollaa?kiitos!
-
Ei, koska massa menee nollaan.
-
Miksi maa vetää muurahaista yhä puoleensa, jos massa on nolla?
-
Muurahaisen massa ei ole nolla.
-
Juurihan Te sanoitte massan ”menevän nollaan”?
käsitinkö taas väärin -
Tarkoitin muurahaista puoleensa vetävää massaa, en muurahaisen massaa. Kun muurahainen lähestyy omenan keskipistettä, muurahaisen ja keskipisteen välissä oleva massan määrä lähestyy nollaa, koska muurahaisen ja keskipisteen välissä oleva tilavuus lähestyy nollaa.
-
Eikö kaavassa lasketa nimenomaan muurahaisen & omenan massa – eikä näiden välistä massaa?
Entä omenan keskiössä oleva ilma, meneekö tämännkin massa nollaan? -
Jos aineen tiheys on vakio, tilavuuden V sisältämä massa on tiheys kertaa V. Pallosymmetrisessä tapauksessa tilavuus on 4 pi/3 kertaa r^3, missä r on pallon säde. Pallosymmetrisen massan gravitaatiovoima Newtonin teoriassa on verrannollinen massaan per säde^2, toisin sanoen r^3/r^2=r. Gravitaatovoima on siis sitä pienempi, mitä lähempänä keskustaa ollaan.
Tämä riittäköön tästä.
-
-
-
-
-
Erkki Kolehmainen sanoo:
Jos tuon kuussa demonstroidun kokeen tekijä olisi ollut neuvostoliittolainen, niin silloin olisi pudotettu sirppi ja vasara. Toki sulka ja vasara ovat parempi pari ilmanvastuksen vaikutuksen osoittamiseksi! Kokeiden tekemisessä on kaksi optiota. Ensinnä voi yrittää tehdä koe tarkemmin ja paremmin kuin ennen. Esim. Syksyn kuvaaman ”tonni tankissa” kokeen Xe-pöntön kokoa voidaan kasvattaa. jolloin halutun havainnon todennäköisyys kasvaa. Ei kovin luovaa ajattelua. Toinen tapa on suunnitella kokokaan uusi koe, mikä vaatii innovaatiokykyä ja uutta teoreettista ajattelua. Aika usein mennään tuon ensiksi mainitun kaavan mukaan eli ainoa innovaatio on laitteen koon kasvattaminen, kunnes taloudelliset realiteetit lopettavat käytännössä laitteen kehittämisen.
-
Cargo sanoo:
”Painava massa (joka määrää gravitaation voimakkuuden) ja hitausmassa (joka kertoo miten paljon kappaleita pitää työntää) ovat aivan erilaisia asioita.”
Kun Newton päätteli F=ma, niin eikö hän käyttänyt painovoimaa apunaan? Meinaan vaan, että ehkei hitausmassaa ole määritelty riippumattomalla tavalla painavaan massaan nähden.
-
En tiedä miten historiallisesti Newtonin päätyi lakiin F=ma. Toki hän gravitaatiolaissaan oletti, että painava massa on sama kuin hitausmassa. Tämä ei muuta sitä, että ne ovat eri käsitteitä, eikä hänen teoriansa selitä sitä, miksi ne ovat yhtäsuuria.
-
Jos kappale on käytännössä lokalisoitunut klimppi sidosenergiaa, niin eikö kaavan E = mc^2 kautta klassisen liikkeen tarkastelu siirry painavan massan aiheuttaman liikkuvan kaareutuman tarkasteluun?
-
En ole varma ymmärränkö kysymystä. Aine ja aika-avaruus ovat erillisiä asioita. Kappaleet eivät ole osa aika-avaruutta, ne liikkuvat siinä ja kaareuttavat sitä.
-
Koitin kait puntaroida, että hitaus- ja painomassaan pitäisi suhtautua kuten erilaisiin energialajeihin, joiden välillä on omat muunnoksensa, eli kyse on lopulta samasta asiasta.
Tuli muuten mieleen ajatuskoe. Jos kaksi erimassaista kappaletta kulkee rinnakkain samansuuntaisesti sekä ulkopuolisen tarkkailijan kannalta vakionopeudella, ja pieneen massaan kohdistetaan jarruttava vastavoima, joka saa kappaleen pysähtymään ulkopuolisen tarkkailijan koordinaatiston origon kohdalla, niin mistä suuren kappaleen liike-energia, joka pienempi kappale havaitsee, oikein kumpuaa – sitä kun ei voi taikoa tyhjästä? Jos siis kaikki ovat omalta osaltaan oikeassa, niin eikö kappaleisiin vaikuttava hitausvoima ole yksi yhteen jonkin kiihtyvyyttä mallintavan koordinaatiston kanssa? Ja tuohon kaiken kattavaan koordinaatistoon vaikuttaa sitten kaikki mahdollinen massa-energia, jolloin mielivaltaisen kappaleen hitaus on jo kosminen ilmiö 🙂
-
Kysymäsi tilanne on sama kuin seuraava. Otat kanssasi levossa olevan pallon käteen ja heität sen. Pallo saa liike-energiaa koska kohdistat siihen voimaa. Tämä ei liity yleiseen suhteellisuusteoriaan, eikä siitä tässä sen enempää.
-
-
-
-
-
Nova sanoo:
Ilmeisesti Maan liikettä Auringon ympäri voi ajatella siten, että Aurinko kaareuttaa avaruutta ja Maa liikkuu kyllä suoraviivaisesti, mutta tätä kaarevaa avaruutta pitkin? Tämän ymmärrän siten, että Maa on jo valmiiksi liikkeessä ja seuraa Auringon kaareuttamaa ”rataa”. Kuinka yleisen suhteellisuusteorian mukaan tulisi ajatella haukansulan pudottamista Kuussa? Mikä saa sulan liikkeeseen kohti Kuun pintaa, kun se päästetään irti ja Kuu ei sitä Newtonin gravitaation omaisesti vedä puoleensa?
-
Newtonin klassisen mekaniikan mukaan ei ole fysikaalista eroa, onko paikallaan vai liikkuuko vakionopeudella, eli se yhdisti levon ja tasaisen liikkeen. Suppeassa suhteellisuusteoriassa tilanne on sama.
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan ei ole fysikaalista eroa, onko paikallaan, liikkuuko vakionopeudella vai putoaako gravitaatiokentässä. Einstein käytti teoriaa muotoillessaan ajatuskoetta siitä, että on hississä, jonka vaijeri on leikattu. Mistä tietää putoaako vai onko paikallaan painottomassa tilassa? Vastaavasti Galilei teki ajatuskokeen siitä, että on tasaisesti kulkevan laivan hytissä. Mistä tietää, onko paikallaan vai liikkeessä?
Kun Scott piti haukansulkaa kädessään, se liikkui suoraa reittiä aika-avaruudessa. Reitin suunnan (kohti Kuun keskustaa) määrää se, miten Kuu kaareuttaa aika-avaruutta.
Samaan tapaan sähkömagnetismissa sähköisesti varattujen hiukkasten välillä ei ole suoria voimia: varattu hiukkanen saa aikaan sähkömagneettisen kentän, joka kohdistaa toisiin hiukkasiin voimia. Yleisessä suhteellisuusteoriassa hiukkanen muuttaa aika-avaruuden kaarevuutta, ja tämä kaarevuus muuttaa toisten hiukkasten liikettä.
-
-
Jari Toivanen sanoo:
Sähkömagneettisia hiukkasia on + ja – merkkisiä, samoin spin voi olla + tai -. Miksi Higgsin kenttä antaa kappaleille (liekö tuo edes oikein sanottu?) vain positiivisia massoja? Onko esitetty teoriaa, joka sallisi kappaleille myös negatiivisen massan?
-
Higgsin kenttä antaa alkeishiukkasille massat (paitsi ehkä neutriinoille, niiden massojen alkuperästä ei ole varmuutta). Mutta suurin osa tavallisen aineen hiukkasten massoista (eli energioista) tulee kvarkkien ja gluonien -joista protonit muodostuvat- sidosenergioista. Higgsin kentän antaman massan osuus näkyvän aineen massasta on vain jokunen prosentti.
Asiaa on tutkittu paljon.
Yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaation lähteenä ei ole vain massa eikä edes vain energia, vaan muutkin aineen ominaisuudet. Se, vetääkö kappale puoleensa vai hylkiikö riippuu siitä, minkämerkkinen on sen ( energiatiheys + kolme kertaa paine ).
Teoriat, joissa energiatiheys voi olla negatiivinen ovat usein epöstabiileja (mutta eivät välttämättä – asia on monisyinen). Toisaalta jos paine taasen on tarpeeksi negatiivinen, gravitaatio voi olla hylkivä. Näin on pimeän energian kohdalla: sen energiatiheys on positiivinen mutta paine negatiivinen, joten sen gravitaatio hylkii.
-
Paine, sillä tavalla kuin minä sen ymmärrän, ei voi olla negatiivinen, koska paine johtuu molekyylien tai atominen törmäyksistä! Niitä joko on tai ei ole! Wittgenstein tuli jossain vaiheessa elämäänsä siihen tulokseen, että kaikki filosofiset ongelmat ovat kielen ongelmia. Ja kun seuraa täällä käytävää keskustelua, niin tulee vääjäämättä mieleen, että niin ovat myös fysiikan ongelmat!
-
Paine on yleisempi käsite kuin hiukkasten törmäyksiin liittyvä työntäminen.
-
Martti V sanoo:
Tarvitaanko hylkivää substanssia? Eikö riitä, että energiantiheyden ollessa riittävä avaruus kaareutuu riittävästi aiheuttaen näennäisen vetovoiman?
-
Hylkiminen ja vetovoima ovat toistensa vastakohtia.
-
Vastaus oli melko trviaali. Asetan väitteen: Massat eivät vedä puoleensa eikä siis hylji. Kaikkea liikettä ohjaa aika-avaruus, jolla on taipumus laajentua/venyä. Massat valuvat lokaaleihin keskittymiin.
-
Yleisessä suhteellisuusteoriassa tosiaan massat eivät suoraan vedä toisiaan puoleensa. Ne kaareuttavat aika-avaruutta, joka sitten vaikuttaa kappaleiden liikkeisiin. (Vastaavasti sähkövaraukset eivät suoraan vedä toisiaan puoleensa: ne vaikuttavat sähkökenttään, joka vaikuttaa varattujen kappaleiden liikkeisiin.)
Tarkemmin aiheesta, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/painon-valittajasta/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/eroon-suuresta-jarjettomyydesta/
-
-
-
-
-
Miguel sanoo:
Tämä ei ehkä liity kuin köykäisesti aiheeseen, mutta kun neutriinot on mainittu. Jos neutriinoilla on massa ”niiden massojen alkuperälle ei ole varmuutta”. Neutronit oskilloivat eli muuttuvat. Meneekö tämä jotenkin hierarkisesti raskaasta kevyeen vai miksi nuo kevyemmät muuttuisi raskaammaksi ja millä energialla? Musta näkymättömät neutriinot on kiinnostavia. Se, mitä et näe on kiinnostavaa.
-
Neutriinot ovatkin kiinnostavia. Niiden sekoittumisesta ja muusta, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sekoittumista/
-
-
Eikö tuota kappaleiden putoamisen samatahtisuutta voisi perustella ihan maalaisjärjen avulla: Jos laittaa kasan tiiliskiviä päällekäin, niin tyhjiössä ne putoavat samaan tahtiin kuin yksittäinen tiiliskivi. Kun kerta kappaleiden välillä ei ole hylkiviä painovoimia, niin yhdistetyn systeemin kokema putoamiskiihtyvyys on sama kuin sen komponenteilla.
-
Tämä ei selitä sitä miksi sulka ja vasara putoavat samalla tavalla, kun niiden koostumus on erilainen.
-
Mikä ylipäätänsä kelpaa selitykseksi? Tässäkin tapauksessa kyse on kaavan E = mc^2 mukaisesti täysin samasta tavasta, johon painovoima vaikuttaa. Jos kuvitellaan tyhjiö, jossa ulkoinen painovoima on kytkettynä pois, ja kootaan haluttu kappale pienistä sähköisesti neutraaleista murusista, niin painovoiman kytkeytyessä päälle, putoaa koko helahoito samaan tahtiin, ad infinitum. Mutta Jumalakaan ei voi meitä auttaa, jos alamme pohtimaan miksi punainen ja sininen pallo tippuvat samaan tahtiin.
-
Nyt oletat sen mikä pitäisi osoittaa: että hidas massa ja painava massa ovat sama asia.
-
Kiitoksia vastauksista. Mutta haluaisin kysyä vielä yhden tarkentavan kysymyksen.
Jos kappaleen A hitausmassa m määrää sen energiasisällön, E = mc^2, niin eikö ko. kappale lakkaa olemasta eikä sillä siten voi olla mitään liike- tai painovoimaenergiaa, jos siitä poistetaan energia E. Jäljelle jää siis pelkkä aineeton varjo. Tämä energia E ei häviä vaan sen avulla muodostetaan jokin toinen aineellinen kappale B, jolla on sama hitausmassa m. Puristetaan sekä kappale A että kappale B kuutioiksi ja muunnetaan niiden kokonaisenergia painovoimakentän määräämäksi energiaksi. Jos nyt soveltaa tuota ”tiiliskiviperiaatetta”, niin eivätkö kappaleet A ja B putoa samaan tahtiin? Ja taas toisaalta, jos ne eivät putoa samalla tavalla, niin millainen metafysikaalinen porsaanreikä sen voisi mahdollistaa? Mutta joo, en jatka enää tästä aiheesta, sillä alkaa tuntumaa hieman siltä, että fyysikot problematisoivat eriväristen pallojen putoamista – hieman samalla tavalla kuin heidän ylenkatsomansa filosofit.
P.S. Tämän blogimerkinnän aiheesta tulikin mieleen aasinsilta, jolla taas tölväistä filosofeja. Vapaapudotus jossa ei huomioida ilmanvastusta on yhtä realistinen malli kuin Minkowskin aika-avaruus jossa ei huomioida epämääräisyysperiaatetta; ensimmäinen johtaa äärettömään nopeuteen ja jälkimmäinen eternalistiseen aikakäsitykseen.
-
Yhtälö E = m c^2 pätee vapaalle hiukkaselle joka ei liiku. Massattomat hiukkaset liikkuvat aina valonnopeudella, joten yhtälö ei pöde niille. Yleinen yhtälö, joka pätee kaikille vapaille hiukkasille on E^2 = m^2 c^4 + p^2 c^2, missä p on hiukkasen liikemäärä.
Ei tästä enempää.
-
-
-
-
Vastaa
Viestinviejä naulavuoteella
Puhun tiistaina 14.2. kello 18 Kirkkonummen Komeetan tilaisuudessa Kirkkonummen pääkirjaston (Kirkkotie 1) Mörne-salissa otsikolla ”Valo maailmankaikkeudessa: viestinviejä naulavuoteella?”. Aiheena on valo kosmologiassa ja sen kulku halki kaarevan aika-avaruuden. Selitän myös jonkin verran omasta tutkimuksestani, jota käsittelin tässä merkinnässä.
Päivitys (13/02/22): Sairastumisen takia puhe on siirretty syyskauteen. Laitan tiedon uudesta ajankohdasta myöhemmin.
3 kommenttia “Viestinviejä naulavuoteella”
-
ei liity suoranaisesti mihinkään, mutta; nöyräpyyntö
voidaanko casimir ilmiötä pitää ”negatiivisena energiana” koska levyjen ulkopuolinen avaruus ei ole ”tyhjä”
Tyhjä ainoastaan klassisen mekaniikan näkemyksenä.kiitos!
-
Casimir-ilmiössä on kyse siitä, että sähköisesti varatut hiukkaset vetävät toisiaan puoleensa. Se on kvanttikorjaus klassiseen sähkömagneettiseen voimaan. Siihen liittyy negatiivinen energia, kuten sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen yleensäkin.
Tieteellinen artikkeli aiheesta alla; sen johdanto- ja johtopäätös-osioita voi ymmärtää ilman erikoistietoja.
https://arxiv.org/abs/hep-th/0503158
Ei tästä sen enempää, kun ei liity merkinnän aiheeseen.
-
”Osa teoreetikoista ja kokeilijoista onkin kääntynyt kaavailemaan energioiden kasvattamisen sijaan törmäysten määrän nostamista kiihdyttimissä heiveröisten vuorovaikutusten erottamiseksi, kuten ehdotetussa CERNin SHIP-kokeessa.”
Mielenkiintoinen koe, mutta muutama vuosi saadaan vielä odotella:
The construction and installation will last until the third long shutdown of the LHC and the data taking is assumed to start in 2026.
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/878/1/012014/pdf
myös täällä:
https://arxiv.org/pdf/2112.01487.pdf
”Jos teoria on renormalisoituva, nämä kaikki vuorovaikutukset voidaan kuitenkin esittää alkuperäisten palikkojen avulla.”
Tuli mieleen, että voisiko tuota palikoiden ynnäämistä verrata optiikan aalto-oppiin ja Huygensin periaatteeseen, jossa jokainen aaltorintaman piste toimii uutena aaltoilun lähteenä? Huygensin periaate selittää ilmiöitä, mutta sen epäfysikaalinen idea laskea kaikki luvuttomat säteilylähteet yhteen johtaa ymmärtääkseni äärettömiin tuloksiin. Lopulta kai Kramers selitti valon dispersion Fourierin menetelmien avulla – ja Heisenberg nappasi siitä idea kvanttimekaniikkaansa kuvaamaan hiukkasen olemattoman liikeradan paikkaa ja liikemäärää käänteisten Fourierin sarjojen avulla. Voisiko siis tuo kvanttikenttäteorian palikkalaskenta vastata jotakin sopivaa muunnosta, joka sitten selittää havainnot ilman approksimaatioita?
Ei, renormalisaatio on monimutkaisempi asia.
”…tuloksena on tapahtuma, missä elektronit vuorovaikuttavat toistensa kanssa vaihtamalla fotonin. Tämä kuvaa sitä, miten sähkövaraukset hylkivät toisiaan.” Järkeenkäypä selitys. Entä jos elektroni on sidottu atomiin tai molekyylin kovalenttiseen sidokseen? Sepä ei enää hyväksyykään mitä tahansa fotonia vaan sellaisen, jonka energia vastaa elektronin sallittujen energiatilojen erotusta. Kuinka suuri osa maailman kaikista elektroneista on vapaita ja kuinka suuri osa sidottuja? Kyse on siis elektronien demokratiasta!
Vain pieni osa aineesta on muodostanut tähtiä tai planeettoja, suurin osa on yhä kaasuna avaruudessa. Tähdistä tuleva valo on rikkonut suurimman osan kaasusta atomit siten, että elektronit ovat irtonaisina. Suurin osaa maailmankaikkeuden elektroneista on siis vapaita. (En nyt osaa sanoa tarkkaa lukumäärää.)
Niin maailmankaikkeuden koko energiabudjetista vain noin 5% on (tavallista) baryonista ainetta. Ja siitäkin galaksien tähtien osuus on vain n 7%. Loppu on kylmää/lämmistä/kuumaa kaasua galakseissa ja galaksienvälisessä avaruudessa.
https://sci.esa.int/web/xmm-newton/-/60430-the-cosmic-budget-of-ordinary-matter
t’Hooftin nimi kirjoitettu väärin.
Mitä mieltä olet hänen viimeaikaisista mustan aukon tutkimuksistaan, joissa ollaan päätymässä siihen, ettei tapahtumahorisontin sisäpuolta ole tai se on epäonnistunut käsite?
Millä tavalla väärin? Oikea muoto on ’t Hooft, ei t ’Hooft.
En ole lukenut noita papereita. En muutenkaan seuraa tutkimusta mustien aukkojen ja kvanttifysiikan yhteensovittamisesta.
Hups. Muistin heittopilkun paikan tosiaan itse väärin. Viestivaihdossa näkyy jatkuvasti ilman pilkkua ”t Hooft”.
Mustan aukon tutkimus linkittyy energiajakaumamuutosten tilassa eli gravitaation kvantittamiseen ja kvanttimekaniikan yhteensovittamiseen yleisen suhteellisuuden kanssa.
Siis suosittelen kyllä seuraamaan tuota tutkimuslinjaa.
Niin nämä Hollantilaiset nimet on hauskoja. Jos tämän fyysikon nimellä (ilman etunimeä) aloittaa lauseen niin ensimmäisenä tulee yläheittomerkki. Esim näin:
’t Hooft is most famous for his contributions to the development of gauge theories in particle physics.
tarvitaanko singulariteettia edes? käsite ”ääretön tiheys” on järjenvastainen; auringosta tulee musta aukko jos se puristuu 3km mittaiseksi eikä nollatilavuuteen
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aineen romahtaessa mustan aukon sisällä syntyy singulariteetti, jossa tiheys kasvaa rajatta eikä yleinen suhteellisuusteoria enää päde.
Mutta koska kvanttifysiikkaa ja yleistän suhteellisuusteoriaa ei ole saatu kunnolla sovitettua yhteen, eo olla varmoja siitä, mitä mustien aukkojen sisällä tapahtuu.
Kun kysymys ei liity merkinnän aiheeseen, niin ei siitä sen enempää.
Mikä puoltaisi sitä, että oikeakätisyys tekisi neutronista hiukkasen omillaan eikä pelkästään antihiukkasta?
Kyse on neutriinoista, ei neutroneista. Tarkemmin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/
Totta kai neutriinoista kyse, typo-erhe.
Linkkaamassasi artikkelissa et käsitellyt antineutriinoja.
Onko niin, että jos neutriino lopulta osoittautuisi Majorana-hiukkaseksi ollen helisiteettinsä perusteella hiukkanen tai antihiukkanen, välttämättä se varmistuisi massattomaksi ja makuoskillaatioteoria menisi romukoppaan?
Toinen yleisesti hellitty idea symmetriarikosta neutriinoissa ja sitä kautta aine-antiaine-epätasapainon selitysmalli taitaisi myös olla vaikeuksissa mikäli noin osoittautuisi olevan.
Onko tiedossasi mitään vakavaa tutkimusta tuollaisella skenaariolla?
Majorana-neutriinoilla voi olla massa. Itse asiassa useimmissa neutriinojen massoja selittävissä malleissa neutriinot ovat Majorana-neutriinoja.
Silloin massallisuus hoituu seesaw-mekanismin massamatriisilla Majorana-vaihein, mikä ei nyt aivan ”rehellistä” ole.
Massattomuusolettama on havainnoista päätellen kuitenkin varsin vahvoilla, sillä neutriinot vaikuttavat liikkuvan aina nopeudella c oikeakätisellä helisiteetillä ja antineutriinot aina nopeudella c vasenkätisellä helisiteetillä. Massalliselle hiukkaselle luontaista kiraliteetin invarianttia rakennetta ei ole todennettu.
Edelleen olisin kiinnostunut tutkimuksesta, jossa lähtökohtana neutriinojen aito massattomuus ja silti makujen sekoittuminen etenemisessä.
Tämä ei ole totta. Tiedetään, että ainakin kahdella kolmesta tunnetusta neutriinosta on massa. Ei siitä tässä sen enempää.
Neutriinoista ja niiden massoista, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sekoittumista/
https://web.archive.org/web/20220820021821/http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/pikkupuolueettomien_epamaaraisyytta
https://web.archive.org/web/20220924155504/http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/pikkupuolueettomien_taustoja
Ei nyt tässä neutriinoista sen enempää, kun ovat sivuseikka merkinnässä.
”Erilaisia tapahtumia voidaan selittää kasaamalla yhdestä palikasta isompia kokonaisuuksia. Jos sen kääntää ajassa ympäri, niin saa vuorovaikutuksen, missä elektroni vastaanottaa fotonin. Jos tämän laittaa yhteen edellisen palikan kanssa, tuloksena on tapahtuma, missä elektronit vuorovaikuttavat toistensa kanssa vaihtamalla fotonin. Tämä kuvaa sitä, miten sähkövaraukset hylkivät toisiaan. Laittamalla samat kaksi palikkaa hieman eri järjestykseen saa tapahtuman, missä elektroni ja sen antihiukkanen positroni annihiloituvat, eli häviävät ja synnyttävät kaksi fotonia.”
Voiko aika kulkea noiden vuorovaikutusten ja alkutilojen suhteen molempiin suuntiin? Meinaan vaan, että miksi kahden fotonin pitäisi ylipäätään vuorovaikuttaa keskenään ja muodostaa hiukkaisia, ja juuri elektroni-positroni-parin juuri samoilla nopeuksilla. Jos tämä käytönnön mahdottomuus ilmenee myriadeissa vuorovaikutustilanteissa (jotka vieläpä virtuaalisia?), niin miten ajan suuntaa voitaisiin kääntää edes periaatteessa? Mielestäni aika on pohjimmiltaan tilastollinen käsite, jonka vieminen kvanttivärinän paikallistasolle on vain filosofien kuumeista houreilua.
En ole varma ymmärränkö kysymystä. Kaikki hiukkaset vuorovaikuttavat jollain tavalla muiden hiukkasten kanssa. Teoria kertoo todennäköisyyden sille, vaikuttavatko ne tietyssä tilanteessa ja millä tavalla.
Siitä mitä tiedämme ajasta, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaksi-tarinaa-ajasta/ (Ei siitä sen enempää, koska ei liity merkinnän aiheeseen.)
Onko tuo kahdesta fotonista syntyvä elektroni-positroni-pari kuinka spontaani prosessi? Jos ”sallitussa” prosessissa entropia kasvaa ja energia leviää, niin mikähän tuollaisen aineenmuodostuksen voisi saada aikaan. Esimerkiksi kvanttivärinän stimuloima fotonin emissio vetyatomissa on selvästi spontaani prosessi, sillä säteilyenergiaa leviää ja elektroni siirtyy alemmalle energiatasolle. (Tämä varmaankin liittyy ajan nuoleen, mutta siitä en nyt tohdi kysyä, koska ei liity merkinnän aiheeseen.)
Kun kaksi hiukkasta -olivatpa ne fotoneita tai protoneita- kohtaavat, niillä on todennäköisyys vuorovaikuttaa keskenään. Kvanttikenttäteoria kertoo, mitkä ovat erilaisten todennäköisyyksien mahdollisuudet, esimerkiksi että fotonit muuttuvat elektroneiksi tai joiksikin muiksi hiukkasiksi. Tähän ei tarvita mitään hiukkasista ylimääräistä. Termiä spontaani ei kuitenkaan käytetä tässä yhteydessä.
Mitähän blogi-isäntä sekoilee? Kaksi merkityksetöntä kommenttimerkintää… ?
Pahoitteluni, wifi saattoi takkuilla. Poistin tyhjät kommentit nyt.
Vaikka higgs vastaisi inflaatiosta se ei tarkoita, ettei ennen inflaatiota olisi ollut raskaampia hiukkasia. Hiukkaskokeet ovat niin kaukana vaaditusta energiaskaalasta, ettei voida vetää johtopäätöksiä.. Sen sijaan standardimallista poikkeavia ilmiöitä on viime aikoina havaittu (esim Beta hajoamis kokeet) – toki poikkeavuudet ovat odotetusti hyvin pieniä.
Oleellista on se, kuinka isoja poikkeamat ovat suhteessa tilastollisiin ja systemaattisiin virheisiin. Tällä hetkellä maanpäällisissiä kokeissa ei ole havaittu mitään poikkeamia Standardimallista (neutriinojen massoja lukuun ottamatta), jotka olisivat tilastollisesti merkittäviä ja joissa systemaattiset virheet ovat pieniä (mukaan lukien epävarmuudet teoreettisissa ennusteissa).
On ymmärrettävää, että Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa haetaan kissoin koirin (kun tiedetään osin Standarditeorian ilmeiset puutteet). Ja tiedetään myös tämänhetkinen kiihdyttimien (esim LHC) suhteellisen pienet energiat. Tässä suurimmat pettymykset ehkä on koettu supersymmetrian osalta. On kuitenkin ilmeinen totuus, että energian ”korpimailla” Planckin energiaan täytyy tulla vastaan uutta teoriaa (ja uusia hiukkasia).
Tästä tilanteesta ja tilanteessa uudisnälkäinen media yrittää joskus väkisin vääntää ”sensaatioita”. Osittain hyvä, osittain huono asia. Tuo Syksyn mainitsema tilastollisen poikkeavuuden merkitävyys vain joskus räikeästi unohtuu tiede-otsikoinnissa.