Tämän vuoden Nobel-palkintoa käsittelevän merkinnän kommenteissa kysyttiin niinkutsutusta Casimir-ilmiöstä, jota toisinaan esitetään todisteeksi tyhjön energian olemassaolosta. Asia on aiemmin tullut esille virtuaalisista hiukkasista kirjoittaessani, joten solmin nyt tuon langan pään.

Casimir-ilmiö on yksinkertainen: kun laitetaan kaksi sähköä johtavaa tasaista levyä lähekkäin, ne vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka näyttää riippuvan vain levyjen etäisyydestä, ei niiden muista ominaisuuksista. (Tässä oletetaan, että kummankin levyn sähkövaraus on nolla.)

Se, että Casimir-voima ei riipu levyjen yksityiskohdista johdattelee ajattelemaan, että se on levyjen välissä olevan tyhjän tilan ominaisuus. Voiman suuruuden voikin johtaa seuraavasti. Lasketaan ensin, mikä energia kaikkien virtuaalisten hiukkasten pulppuamiseen tyhjässä tilassa liittyy. Sitten katsotaan millaisia virtuaalisia hiukkasia levyjen väliin mahtuu, ja lasketaan niistä sinne aiheutuva energia. Nämä energiat ovat erilaisia ja tämä saa aikaan voiman, joka vetää levyjä yhteen. (Lasku ei itseasiassa kerro, mikä kumpikaan noista energioista on, mutta erotuksen se antaa kiltisti.) Asian voi tulkita siten, että levyjen väliin ei mahdu liian ison aallonpituuden omaavia hiukkasaaltoja, ja niiden puute vetää levyjä puoleensa.

Tämän tulkinnan takia Casimir-efekti usein esitetään todisteena tyhjön energian olemassaolosta, tunnettujenkin fyysikoiden taholta. Mutta Casimir-voiman voi ymmärtää paljon arkisemmin, puhumatta tyhjöstä mitään. Vaikka levyt ovat sähköisesti neutraaleja, niissä kuitenkin on positiivisia ja negatiivisia sähkövarauksia, joista osa pystyy liikkumaan ympäriinsä -- muutenhan levyt eivät johtaisi sähköä. Koska sähkövaraukset eivät ole jakautuneet täysin tasaisesti, levyjen välille syntyy pieni voima, jonka voi laskea levyjen sähkövarausten välisiä vetovoimia tarkastelemalla. Se, että tulos ei riipu levyjen omnaisuuksista on vain suunnilleen totta: kun Casimir-efektiä mitataan tarkasti, pitää ottaa huomioon esimerkiksi se, että oikeat levyt eivät johda sähköä täydellisesti (eli käsitellä sähkövarausten todellista jakaumaa levyssä), vaikka ensi arviolta tästä ei tarvitsekaan välittää.

Casimir-ilmiön ymmärtäminen tällä tavoin on käsitteellisesti yksinkertaisempaa kuin tyhjön energian avulla, mutta yksityiskohtaiseen laskemiseen tyhjön energia tarjoaa nopeamman reitin. Tämän takia siihen liittyvä tulkinta lienee saanut niin suuren jalansijan. Tekipä laskun miten päin vain, Casimir-efekti vaatii sähkömagneettista voimaa käsiteltävän kvanttikenttäteorian keinoin: ilman kvanttimekaniikkaa ja suppeaa suhteellisuusteoriaa ei olisi Casimirin efektiä. Sen laskemisessa käsitellään virtuaalisia hiukkasia, pieniä värähtelyjä tyhjän tilan ympärillä.

Jos Casimirin efekti tulkitaan todisteeksi tyhjön energiasta, niin samaan sitten kelpaa mikä tahansa kvanttikenttäteorian ilmiö, jota käsitellään virtuaalisten hiukkasten avulla -- eli siis melkein kaikki kvanttikenttäteorian laskut! Harva fyysikko hyväksyy moisen. Olikin hieman yllättävää, että Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia kirjoitti Nobel-palkinnon taustamateriaalissa että tyhjön energia on havaittu sen perusteella että vetyatomin energiatasoissa on kvanttikenttäteoreettisia korjauksia.

Tämä on harhaanjohtavaa siksi, että näissä kvanttikenttäteorian laskuissa on kyse värähtelyistä tyhjän päällä. Se tyhjön energia, joka saattaa selittää ne havainnot, joista Nobel-palkinto myönnettiin, on kuitenkin tuo pohjalla oleva tasainen jakauma, joka ei värähtele eikä tee mitään muutakaan. Kvanttikenttäteoriassa, aivan niin kuin klassisessa mekaniikassa, voi mitata vain energioiden erotuksia. Voidaan sanoa, että jos systeemin haluaa siirtää tästä tilasta tuohon, niin siihen tarvitsee lisätä noin paljon energiaa. Kysymys siitä, paljonko energiaa systeemillä on kaikkiaan, tulee esille vain yleisessä suhteellisuusteoriassa. Sen mukaan gravitaatio on tinkimätön kirjanpitäjä, joka mittaa kaiken energiasisällön: mitä enemmän energiaa, sitä voimakkaammin avaruus kaareutuu. Onkin eriskummallinen tilanne, että tyhjön energiatiheys tuntuu kvanttikenttäteorian luonnolliselta ennusteelta, mutta sen mittaamiseen tarvitaan jotain sen tuolta puolen. Tyhjön energian ymmärtäminen onkin yksi hiukkasfysiikan suurimpia ongelmia, ja sen nouseminen myös kosmologian keskeiseksi aiheeksi ei ole varsinaisesti vähentänyt mielenkiintoa.

Mainittakoon, että puhun maanantaina 31.10. kello 18 Arkadia-kirjakaupassa tämän vuoden Nobel-palkintoon liittyvästä fysiikasta, muun muassa tyhjön energiasta otsikolla "Dark energy: the greatest mystery of the universe" alla. Esitys on englanninkielinen.

Kommentit (0)

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto