Olen maininnut estetiikan tärkeästä roolista fysiikassa. Eräs sen keskeinen ilmenemistapa on symmetria. Symmetria tarkoittaa sitä, että jokin piirre säilyy samana tietyssä muunnoksessa. Esimerkiksi pallo näyttää samalta, pyörittipä sitä miten vain: tilanne on symmetrinen kaikkien avaruuden kiertojen suhteen. Sylinterillä on vähemmän symmetriaa: on vain yksi akseli, jonka ympäri kierrettäessä se säilyy samana. Molemmissa tapauksissa on kyseessä jatkuva symmetria, eli muutosta voi tehdä miten vähän vain kerrallaan. Toinen mahdollisuus on diskreetti symmetria, jossa on vain äärellinen määrä muunnoksia. Esimerkiksi kuutio näyttää samalta vain 90 asteen kierroissa, joten muunnoksia on vain kolme per suunta. Ihminen näyttää likipitäen samalta, jos peilaa vasemman ja oikean toisikseen, muunnoksia on vain yksi.

Fysiikassa sekä jatkuvat että diskreetit symmetriat ovat tärkeitä. Osa symmetrioista liittyy siihen, miten maailmaan hallitsevat lait käyttäytyvät kun avaruutta muutetaan. Esimerkiksi klassisen mekaniikan eräs määrittelevä piirre on, että fysiikan lait näyttävät samalta, olipa nopeus, suunta tai paikka mikä hyvänsä. Toisin sanoen, klassinen mekaniikka on symmetrinen avaruuden kiertojen, siirtojen ja nopeuden vakiomuutoksen suhteen. Vastaavasti suppea suhteellisuusteoria on symmetrinen aika-avaruuden kiertojen ja siirtojen suhteen. Se, että valon nopeus on sama kaikille havaitsijoille nostetaan usein keskeiseksi esitettäessä suppean suhteellisuusteorian alkeita. Modernista näkökulmasta se on kuitenkin seuraus teorian symmetriasta, ei oletus.

On myös symmetrioita, jotka liittyvät avaruuden sijaan sitä asuttavien fysiikan olioiden muuntamiseen toisikseen. Esimerkiksi sähkömagneettinen vuorovaikutus juontuu siitä, että teoria on muuttumaton sähkökenttien ja magneettikenttien tietynlaisessa kiertämisessä toisikseen. Supersymmetria on (spekulatiivinen) diskreetti symmetria, jossa bosonit ja fermionit vaihdetaan keskenään. Tämä kuulostaa mielivaltaiselta idealta, mutta itseasiassa supersymmetria seuraa siitä, että halutaan yhdistää teorian symmetria avaruuden muunnoksissa ja olioiden muunnoksissa - tämän ymmärrettäväksi tekeminen vaatisi monta sanaa.

Useat kauaskantoiset piirteet seuraavat yksinkertaisista symmetrioista, kuten suppea suhteellisuusteoria osoittaa. Monesti ajatellaan, että edistyneemmät fysiikan teoriat ovat aina vain symmetrisempiä. ja että tärkein osa uuden teorian rakentamista on symmetrian valitseminen. On kuitenkin mahdollista, että systeemin perustavanlaatuisemmalla kuvailulla onkin vähemmän symmetriaa kuin sillä minkä nyt tunnemme. Esimerkiksi on symmetrioita, vaikkapa aineen ja antiaineen symmetria, jotka pitävät vain likipitäen paikkansa, siten että tarkemmin katsottuna asiat ovatkin vähemmän kohdallaan. Kenties havainnollisempi esimerkki on se, että jos vettä kuvaa nesteenä, teoria on symmetrisempi kuin molekyylejä tarkastellessa. Tähän asti todellisuuden syvempi ymmärtäminen on tapahtunut uusien symmetrioiden kautta, esimerkiksi siten, että löydettiin sähköheikko symmetria havaitsemamme särkyneen maailman vihjeiden perusteella. Mutta malja on vielä löytymättä, eikä tiedetä, minne tie vie.

Kommentit (11)

pete

Hurja symmetria paketti vaatii kokoon laiton.Eli jos on symmetria esimerkiksi gravitaation ja valon suhteen.
Valon taittuminen symmetrisesti eli suhteellisuus teorian mukaan ok.
Mikäli gravitaatio suhteellisesti taipuu symmetrisesti sitä ei aiheuta valon eikä ajan symmetria suoraan.
Ajallisesti voi ajatella että symmetrian ja valon kanssa (fotoni) tekeminen ei ole samankaltainen.
Mikäli valo ei kulje valon nopeudella niin mikä kulkee?
Tuhoaako esim: pimeä energia fotonin kulkua?
Tai hidastuuko fotonin kulku gravitaation tai pimeän aineen takia?
Varmaan monia kiinnostaa että missä se oikea musta aukko on?
Ja milloin tulemme se saaliiksi,jos tulemme?

Aina äärimmäisyydet kiinnostaa,vaikka luullisimme tietävämme jotakin!

Kalle Hänninen

Kiitos Räsänen blogeistasi, niitä on helppo lukea ja mielenkiintoista seurata.

Alan Dorkin

Syksy kirjoitti:
"Osa symmetrioista liittyy siihen, miten maailmaa hallitsevat lait käyttäytyvät kun avaruutta muutetaan. Esimerkiksi klassisen mekaniikan eräs määrittelevä piirre on, että fysiikan lait näyttävät samalta, olipa nopeus, suunta tai paikka mikä hyvänsä. Toisin sanoen, klassinen mekaniikka on symmetrinen avaruuden kiertojen, siirtojen ja nopeuden vakiomuutoksen suhteen. Vastaavasti suppea suhteellisuusteoria on symmetrinen aika-avaruuden kiertojen ja siirtojen suhteen. Se, että valon nopeus on sama kaikille havaitsijoille nostetaan usein keskeiseksi esitettäessä suppean suhteellisuusteorian alkeita. Modernista näkökulmasta se on kuitenkin seuraus teorian symmetriasta, ei oletus."

Muistan lukeneeni yhden hypoteesin (niitä lienee kymmenittäin), jonka mukaan Universumin käyttäytymisen tulkitseminen on vaikeaa sen vuoksi, koska ihmisen kehittämät fysiikan lait ja symmetriat (m.l. Einsteinin teoriat) eivät toimisikaan samalla tavoin maailmankaikkeuden kaikilla "osa-alueilla". Toisin sanoen esim. 5-10:n miljardin valovuoden päässä meistä Einsteinin suppea ja laaja teoria heittäisivät jo häränpyllyä, muista teorioista puhumattakaan.
Kuinka mahdollisena pidät tällaista oletusta kaikkeuden toiminnassa?

Syksy Räsänen

Kalle Hänninen:

Mukava kuulla.

Alan Dorkin:

Havaintojen perusteella miljardien valovuosien päässä ajassa ja miljardien vuosien päässä ajassa pätevät tuntemamme luonnonlait. Ks. http://www.tiede.fi/blog/2007/12/14/populaareja-ihmeita/ . On tosin mahdollista, että maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen liittyisi siihen, että yleinen suhteellisuusteoria ei pädekään suurilla etäisyyksillä, ks.
http://www.tiede.fi/blog/2008/03/16/kolmen-vaihtoehdon-mysteeri/ .

Alan Dorkin

Esko Valtaoja kirjoitti kirjassaan Kotona maailmankaikkeudessa, että kaukaisimmat galaksit etääntyvät toisistaan nopeudella, joka on nykyisin noin 60% valonnopeudesta, ja toisaalta tiedämme, että kaikkeus laajenee yhä kiihtyvällä nopeudella.
Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan, jos kappale saavuttaa valon nopeuden, se muuttuu energiaksi. Kun nimerkki Tarkkailija (vai oliko joku muu?) aikaisemmin ehdotti, että jos galaksit kiihtyvällä nopeudellaan saavuttavat joskus valon nopeuden, ne muuttuvat energiaksi, silloin Syksy kirjoitti: "Tuo ei tarkoita mitään."
Voitko tässä yhteydessä selvittää hieman sitä, miksi galaksien pakonopeus ei voi saavuttaa valon nopeutta, tai jos voi, miksi ne eivät silloin muutu energiaksi; miksi tämä hypoteesi "ei tarkoita mitään"?
(Jos kysymykseni on liian tyhmä, sen voi heittää roskikseen!)

Alan Dorkin

Syksy ei ehkä vastaa edelliseen viestiini, koska se ei täytä järkevän kysymyksen tunnusmerkkejä.
Yritän tarkentaa sitä hieman. Syksy vastasi merkinnässään "Paljon tyhjästä:
"Avaruuden laajeneminen on eri asia kuin esineiden liikkuminen jollain nopeudella. (Ilmaisu “Galaksien muuttuminen energiaksi” ei muuten tarkoita mitään.)"
Jos avaruuden laajeneminen on "eri asia kuin esineiden liikkuminen", miksi kaukaisimpien galaksien pakonopeus on suurempi kuin meitä lähempänä olevien? Eikö avaruuden kiihtyvällä laajenemisella ja galaksien loittonemisnopeudella ole todellakaan mitään korrelaatiota? Jos myös galaksit loittonevat kiihtyvällä nopeudella, mikä tosiasia estää niitä joskus (hamassa tulevaisuudessa) saavuttamasta valonnopeutta?

Syksy Räsänen

Alan Dorkin:

Pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka eivät liity blogimerkinnän aiheeseen.

Alan Dorkin

Syksy kirjoitti:
"Pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka eivät liity blogimerkinnän aiheeseen."

Ok. Miten sitten kanssasi olisi järkevintä "keskustella"? Jos joku myöhemmin mukaan tullut uusi lukija esittää kysymyksen vaikkapa kaksi vuotta vanhaan blogiin, vastaatko siihenkin kohtuullisessa ajassa?

Syksy Räsänen

Alan Dorkin:

En vastaa turhan vanhojen merkintöjen kommentteihin. Tämä ei ole fysiikan keskustelupalsta.

Ele

Kiitos sinulle S.R.! On todella ilahduttavaa, että joku kirjoittaa tieteestä suomenkielellä ja jopa sellaisella, jota tavallinen ei-tiedemiestasoinen asiasta kiinnostunutkin voi ymmärtää! Olen huomannut ilokseni, että omassa mielessäni kehittelemäni ajatukset kvanttifysiikasta ja kosmologiasta ovat sittenkin ihan oikeilla raiteilla tai ainakin olen samoilla linjoilla kanssasi, vaikka en olekaan opiskellut ko. tieteenaloja kuin sen verran, mitä nyt eläkeläispäivinäni pari vuotta sitten kiinnostukseni heräsi niihin.
Voi, kunpa tulisit joskus luennoimaan meille taviksille! :)

Sansavail

@Alan Dorkin:
"Jos avaruuden laajeneminen on “eri asia kuin esineiden liikkuminen”, miksi kaukaisimpien galaksien pakonopeus on suurempi kuin meitä lähempänä olevien?"

Laajeneminen ei ole sama asia kuin esineiden liikkuminen paikasta toiseen. Galaksit eivät tässä ole samalla tavoin kiihtyvässä liikkeessä, kuin perinteisesti esim. auton kiihtymisen kuvittelisit, vaan maailmankaikkeus - avaruus - laajenee kaikkialla niiden ympärillä (ja sisällä). Jos kuvitellaan jokainen "avaruuden piste" meidän ja kaukaisen galaksin välillä "pullistumaan", niin mitä useampi piste meidän ja galaksin välillä on, sitä nopeammin galaksi tuntuu meistä loittonevan. Lähellä olevat galaksit loittonevat hitaammin, koska meidän ja niiden välillä on vähemmän pisteitä laajenemassa. Ja koska laajeneminen ei ole liikettä, sen nopeuden yläraja ei myöskään asetu valonnopeuteen.

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