Valon vihjeitä

30.11.2016 klo 14.24, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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.

19 kommenttia “Valon vihjeitä”

  1. Eusa sanoo:

    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?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka ovat turhan kaukana merkinnän aiheesta.

  2. Eusa sanoo:

    Ajattelitko, että joku muu ottaisi vastatakseen, kun kysymyksen kuitenkin julkaisit? Vai vastaatko myöhemmässä merkinnässä kenttäteoriasta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kunhan muistutin linjasta.

  3. Lentotaidoton sanoo:

    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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tässä hieman lisää kosmisista säteistä:

      http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/vieraita_avaruudesta

  4. Olli huikuri sanoo:

    Näin vanhana sähkömiehenä minusta tuntuu mukavalta, kun joku vaivautuu kirjoittamaan asioista selkeästi ja ymmärrettävästi.
    Jatkaneet saamaan malliin?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, yritän ainakin.

  5. Pekka Voipio sanoo:

    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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Suuria? Tarkoitatko montako kuutiomillimetriä, kuutiokilometriä…

  6. Lentotaidoton sanoo:

    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.

  7. Eusa sanoo:

    Oletko perehtynyt ΛCDM- ja ΛSIDM-mallien eroihin? Näyttäisi, että keskuudessaan vuorovaikuttava pimeän aineen malli olisi vahvistamassa asemaansa…

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aihe ei liity merkinnän aiheeseen, joten ei siitä tässä yhteydessä sen enempää. Saattaa olla, että palaan siihen myöhemmin.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *