Tällä hetkellä on kaksi fysikaalista todellisuutta perustavanlaatuisimmalla tasolla kuvaavaa teoriaa, kvanttikenttäteoria (erityisesti sen sovellus hiukkasfysiikan Standardimalli) ja yleinen suhteellisuusteoria. Standardimalli kuvaa alkeishiukkasia ja kaikkea niistä rakentuvaa, kuten protoneita ja valoa, ja yleinen suhteellisuusteoria käsittelee aika-avaruuden rakennetta, jonka ilmentymä gravitaatio on. Kaikki muut luonnontieteen alueet ovat periaatteessa palautettavissa näihin kahteen: esimerkiksi biologia palautuu kemiaan, ja kemia seuraa Standardimallin atomiytimiä, elektroneita ja fotoneita koskevista laeista.

Standardimalli ja suhteellisuusteoria myös palautuvat johonkin perustavanlaatuisempaan teoriaan - vielä tosin ei tiedetä, mikä tämä teoria on, ja sen löytäminen on hiukkaskosmologian valtavin kysymys.

Kvanttiteoria ja suhteellisuusteoria ovat 1900-luvun alussa vallinneen niinkutsutun klassisen fysiikan laajennuksia eri suuntiin. Klassisessa fysiikassa sekä syy-seuraus-suhteet että aika-avaruus ovat ennalta määrättyjä ja muuttumattomia. Ensinnäkin klassinen fysiikka on determinististä: tapahtumat seuraavat toisiaan vääjäämättömästi ja yksikäsitteisesti annetusta alkutilanteesta. Kaikki on (periaatteessa) ennustettavissa. Toisekseen tapahtumien näyttämönä toimiva avaruus ei koskaan muutu, eikä ota osaa tapahtumiin. Klassisen fysiikan malli maailmasta on ennalta kirjoitettu kellokoneistonäytelmä, joka ei muuta teatteria mitenkään.

Havainnot 1900-luvun alkupuolella osoittivat tämän kuvan virheellisyyden. Havaintoja selittämään kehitetyt uudet teoriat muuttivat klassista fysiikkaa kumpikin tahollaan. Kvanttimekaniikka hylkäsi determinismin, mutta piti kiinni määrätystä aika-avaruudesta, suhteellisuusteoria taas liitti yhteen ajan ja avaruuden dynaamiseksi, aineen kanssa vuorovaikuttavaksi toimijaksi, mutta säilytti tiukat syy-seuraus-suhteet. Sellaisen teorian rakentaminen, jossa nämä puolet yhtyisivät, sanalla sanoen kvanttigravitaatioteorian, on osoittautunut erittäin vaikeaksi.

Kvanttimekaniikka kehittyi kvanttikenttäteoriaksi 1940-luvulle mennessä, ja kvanttikenttäteorian sääntöjen mukaan rakennettu hiukkasfysiikan Standardimalli oli kaikkine paloineen valmis 1970-luvulla. Yleistä suhteellisuusteoriaa ei ole tarvinnut juurikaan muuttaa sitten vuoden 1915, jolloin Einstein ja Hilbert saivat sen valmiiksi. Kvanttiteoriaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa on yritetty naittaa toisilleen ainakin 1950-luvulta alkaen, huonolla menestyksellä.

Yleisesti uskotaan, että kvanttigravitaatioteoria, oli se mikä hyvänsä, on kovin erilainen kuin Standardimalli tai yleinen suhteellisuusteoria, aivan kuten ne eroavat suuresti klassisesta fysiikasta. Kvanttiteorian ja suhteellisuusteorian kehitystä viime vuosisadan alkupuolella ajoivat koetulokset, joita klassinen fysiikka ei pystynyt selittämään. Ilman havaintojen tukea kukaan tuskin olisi kyennyt näkemään niin kauas, että kvanttimekaniikka olisi löydetty. (Suhteellisuusteorian kohdalla näin olisi voinut käydäkin.) Kvanttigravitaation perässä sen sijaan kuljetaan lähes tyystin ilman havaintoja, matematiikka ratsuna ja estetiikka oppaana. On kuvaavaa, että kvanttigravitaatiota kutsutaan teoreettisen fysiikan Graalin maljaksi.

Menestynein ehdokas kvanttigravitaatioteoriaksi on säieteoria, jonka soveltuvuus tähän rooliin ymmärrettiin 1970-luvulla. Karkeasti ottaen säieteorian ideana on, että pistemäisten hiukkasten sijaan rakennuspalikoiksi otetaan yksiulotteiset säikeet (engl. strings), jotka noudattavat kvanttimekaniikan lakeja. Tästä yksinkertaisen kuuloisesta lähtökohdasta seuraa rikas matemaattinen rakenne, joka sisältää myös gravitaation. Säieteorian suoraviivaisin muotoilu kuitenkin johtaa maailmankaikkeuteen, joka on kymmenulotteinen ja muutenkin hyvin erilainen kuin se, minkä ympärillämme näemme. Säieteorian yhdistäminen havaittuun maailmaan on vaikea ongelma, josta on julkaistu tuhansia tieteellisiä artikkeleita, mutta vieläkään ei tiedetä, kuvaako säieteoria todellisuutta, vai onko se pelkkää matematiikkaa.

Säieteorian ja muiden kvanttigravitaatioehdokkaiden kehittämisen avuksi on vaikea saada havaintoja siksi, että niillä pienillä skaaloilla, joilla kvanttiefektit ovat merkittäviä, gravitaatio on heikko, ja aurinkokunnan, galaksin, maailmankaikkeuden mittakaavassa, jota gravitaatio hallitsee, kvanttiefektit ovat mitättömän pieniä. Varhaisessa maailmankaikkeudessa tilanne oli toisin, erityisesti inflaation aikana sekä gravitaatio että kvanttiefektit ovat oleellisia. Inflaatio tuottaa ryppyjä ei vain aineessa (kuten mikroaaltotaustassa), vaan myös aika-avaruudessa itsessään. Aika-avaruuden muinaisten kvanttimekaanisten fluktuaatioiden pitäisi olla havaittavissa vielä nykyään, heikkoina ja näkymättöminä gravitaatioaaltoina jotka matkaavat maailmankaikkeuden halki, ja kulkevat lävitsemme koko ajan.

On suuri joukko inflaatiota kuvaavia malleja, jotka ennustavat erilaisia kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksia ja gravitaatioaaltoja. Olipa niistä mikä hyvänsä oikea, inflaation synnyttämän gravitaatioaaltotaustan havaitseminen olisi merkittävä askel. Se auttaisi varmentamaan, että inflaatio on todella tapahtunut, mutta vielä tärkeämmin kyseessä olisi ensimmäinen havainto kvanttimekaniikan ja gravitaation yhteistoiminnasta, pieni näkymä uudelle fysiikan alueelle, josta saattaa paljastua hedelmällisiä yllätyksiä. Planck-satelliitilla, jonka on määrä nousta taivaalle lähiviikkoina, on mahdollisuus nähdä gravitaatioaaltojen kädenjälki kosmisessa mikroaaltotaustassa - aiheesta lisää kunhan Planckin laukaisupäivä varmistuu.

Kommentit (8)

Katse eteenpäin

"Säieteorian suoraviivaisin muotoilu kuitenkin johtaa maailmankaikkeuteen, joka on kymmenulotteinen ja muutenkin hyvin erilainen kuin se, minkä ympärillämme näemme."

No tämä ei kai ole iso ongelma, tai jos on niin tieteellä on iso ongelma. Ihmisen "näkökyky" on harmillisen rajallinen, emme näe fyysisesti edes radioaaltoja vaikka niitä on jo aika kauan ollut joka puolella. Jos haluamme löytää jotain uutta, kuvittelukyky on olennaista, ei niinkään havainnot. Onko se sitten tiedettä vai jotain muuta, on toinen kysymys.

Syksy Räsänen

Katse eteenpäin:

Säieteorian yksinkertaisimmassa muotoilussa kaikki yhdeksän paikkaulottuvuutta ovat samanlaisia. Koska havaitsemme vain kolme paikkaulottuvuutta, täytyy selittää, miksi loput kuusi (jos niitä on olemassa) käyttäytyvät eri tavalla kuin näkemämme kolme.

Ei ole sinällään ongelma, että teoriassa on ylimääräisiä ulottuvuuksia. Vaikeuksia tuottaa se, että on erittäin suuri määrä tapoja piilottaa nämä ylimääräiset ulottuvuudet, eikä toistaiseksi ole selvää, mikä niistä on oikea (vai onko mikään).

Syksy Räsänen

Minulle huomautettiin, että kirjoitukseni syy-seuraus-suhteista ja determinismistä sekoitti eri asioita. Lienee syytä tarkentaa hieman. Syy-seuraus-suhteissa on kaksi puolta. Toisaalta determinismi, eli se, onko kaikilla seurauksilla joku yksikäsitteinen syy, ja toisaalta kausaliteetti, eli se, ovatko syyt aina ajassa ennen seurauksia.

Klassinen fysiikka on sekä determinististä että kausaalista. Hiukkasfysiikan Standardimalli on epädeterministinen, mutta kausaalinen. (Kvanttimekaniikassa on seurauksia, joilla ei ole mitään syytä, eikä niitä siksi voi ennustaa.) Yleinen suhteellisuusteoria on deterministinen, mutta sallii kausaliteetin rikkoutumisen. (Yleinen suhteellisuusteoria ei kiellä sitä, että tapahtumat voisivat vaikuttaa menneeseen aikaan. Ei tosin ole selvää, kuvaako tämä yleisen suhteellisuusteorian piirre todellisuutta, vai estääkö joku yhtenäisteorian periaate ajassa taaksepäin menevät syy-seuraus-suhteet.)

Joten kun kirjoitin

"Ensinnäkin klassinen fysiikka on determinististä: tapahtumat seuraavat toisiaan vääjäämättömästi ja yksikäsitteisesti annetusta alkutilanteesta."

olisi pitänyt sanoa

"Ensinnäkin klassinen fysiikka on determinististä: tapahtumat johtavat toisiinsa vääjäämättömästi ja yksikäsitteisesti."

lektu

“Ensinnäkin klassinen fysiikka on determinististä: tapahtumat johtavat toisiinsa vääjäämättömästi ja yksikäsitteisesti.”

Esim taloustieteissä ja jalkapallossa otaksuttu tulevaisuus määrää lähes kaikki asiat. Miksei myös fysiikassa ?
Miksei atomeilla voisi olla muistia ? Kulunut atomi on oppinut jotain tms. ? Mistä muuten esim spontaani hajoaminen johtuu ?

Eihän tiedetä sitäkään, etteikö jokainen atomi voisi omata sisäistä elämää aivojen verran. Jos atomi koostuu gravitoneista, niin niitä mahtuu siihen enemmän kuin hermosoluja aivojen kuutiosenttiin.

Jos puskutraktoreilla ei voi korjata radion piirilevyä, niin sitten pitää vaan elää sen tiedon kanssa, ja hyväksyä tosiasiat.

Jouni

Kiitoksia hyvästä artikkelista.
Yhtenäistämisteorio on erittäin mielenkiintoinen ja kirjoitus oli juuri sopivan selkeän mutkikas, näin asiasta kiinnostuneelle maallikolle.
Kirjoituksiasi on mukava lukea, kiitoksia.
Jouni

Vieraita avaruudesta - blogit ...

[...] ehdotettiin erilaisia eksoottisia ratkaisuja, kuten sitä, että spekulatiivisten kvanttigravitaatioefektien takia hiukkasten nopeuden ja energian suhde ei vastaakaan suppean suhteellisuusteorian ennustetta. [...]

Ajankäytön hallinta | Tiede.fi

[...] miten kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria tarkalleen sopivat yhteen, eli millainen on kvanttigravitaatioteoria. On kuitenkin olemassa teorioita, joiden ajatellaan tavoittavan osan yleisen suhteellisuusteorian ja [...]

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