Sähköheikon symmetriarikon yhteydessä mainitsin tyhjön rakenteesta, ja kommenteissa on kysytty virtuaalisista hiukkasista, joten kirjoitan lisää tästä kiehtovasta aiheesta.

Klassisessa fysiikassa avaruus on vain näyttämö, jolla aine temmeltää. Tyhjän käsite on yksinkertainen: otetaan pois kaikki aine, ja jäljelle jää pelkkä lava, jolla ei tapahtu mitään. Todellisuus ei kuitenkaan ole näin siistiä: itse asiassa teatterin ovia ei voi sulkea eikä lavaa tyhjentää. (Tämän klassisen kuvan muista puutteista, ks. Maljan jäljillä.)

Nykyään ymmärrämme kvanttikenttäteorioiden avulla, että aine on avaruuden täyttävien kvanttikenttien värähtelyjä. Jokaista hiukkaslajia vastaa oma kenttänsä. Esimerkiksi yksittäinen elektroni on paikallinen, liikkuva kukkula elektronikentässä, kuin aalto veden pinnalla. Vastaavasti fotonihiukkanen on väre fotonikentässä, ja niin edelleen. Voidaan siten kutsua "tyhjöksi" tilannetta, jossa kaikissa hiukkaskentissä on pienin mahdollinen määrä värähtelyjä.

Toisin kuin klassisessa fysiikassa, kvanttimekaniikassa värähtelyistä ei koskaan pääse kokonaan eroon. Ei ole mitään täysin tasaista ja kaikilta puolin täysin määrättyä: aina on jotain epävarmaa ja muuttuvaa. Esimerkiksi kvanttikentissä voi syntyä hetkeksi hiukkasia jotka pian palaavat olemattomuuteen. Tällaisia hiukkasia sanotaan virtuaalisiksi, koska niitä ei voi havaita suoraan, ainoastaan sen kautta, miten ne vaikuttavat todellisiin hiukkasiin. Virtuaaliset hiukkaset ovat kvanttikenttäteorian keskeinen osa: laskut ja havainnot niiden käytöksestä pitävät yhtä miljardisosan tarkkuudella. Kuitenkaan virtuaalisten hiukkasten vaikutusta tyhjään tilaan ei täysin ymmärretä (mistä lisää toiste lisää), ja niiden tulkintaan liittyy kiintoisia käsitteellisiä epäselvyyksiä.

Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voi ymmärtää fotonien vaihtamisena. Esimerkiksi se, että kaksi elektronia hylkii toisiaan, johtuu siitä, että yksi heittää virtuaalisen fotonin toiselle, joka ottaa sen kiinni. On helppoa laskea kvanttikenttäteorian sääntöjen mukaan, millainen tästä hiukkasvaihdosta johtuva sähkömagneettinen voima on.

Mutta sen sijaan, että menisi suoraan elektronilta toiselle, virtuaalinen fotoni voikin matkalla hajota hetkeksi elektroni-positroni-pariksi joka yhdistyy takaisin fotoniksi ennen elektroniin törmäämistään. Tai yhtä hyvin fotoni voi hajota kahdeksi hiukkaspariksi - tai miten moneksi tahansa. Jotta voisi laskea sähkömagneettisen voiman tarkalleen, pitäisi ottaa huomioon kaikki virtuaalihiukkasen äärettömän monet mahdollisuudet matkalla ilkamointiin. Merkittävin tekijä on kuitenkin siisti käytös ilman mitään parinmuodostusta, ja mitä enemmän fotoni matkalla riemuitsee, sitä pienempi sen vaikutus sähkömagneettiseen voimaan on. Käytännössä tarvitsee ottaa huomioon vain yksinkertaisimmat vaihtoehdot fotonin käyttäytymiselle matkalla elektronilta toiselle - aiemmin mainittuun miljardisosan tarkkuuteen pääseminen laskuissa on silti valtava urakka.

Kun virtuaalisia hiukkasia ei koskaan havaita suoraan, voi kysyä ovatko ne todellisia. Onko sellainen todellista, jonka voi havaita ainoastaan sen kautta, miten se vaikuttaa muihin asioihin, ei ikinä itsessään? Kvanttikenttäteoriassa virtuaaliset hiukkaset ovat oikeastaan laskennallinen apuväline. Esimerkiksi kahden elektronin välisen vuorovaikutuksen tarkka laskeminen on mahdotonta, joten lasku pilkotaan palasiksi, joista jokaista voidaan kuvata tavalla, joka näyttää omituisesti käyttäytyvien hiukkasten vaihtamiselta. Näitä palasia voidaan havainnollistaa Feynmanin diagrammien avulla; alla kuva siitä, miten kaksi elektronia vaihtaa fotonin.

feynman.jpg

Feynmanin kehittämien kuvaajien yksinkertainen tulkinta viettelee ajattelemaan, että virtuaalisissa hiukkasissa olisi jotain todellista. Mutta jos esimerkiksi kahden elektronin välisen vuorovaikutuksen voisi laskea täsmällisesti, ei tarvittaisi näitä kuvia eikä sanoja virtuaalisista hiukkasista.

Fyysikot puhuvat virtuaalisista hiukkasista kuin ne olisivat olemassa, mutta harva miettii ovatko ne todellisia. Yleensä ajatellaan, että fysiikan kannalta merkitystä on vain sillä, mitä voi havaita, mikään muu ei ole paikalleen kiinnitettyä; käsitys, joka saattaa olla liian naiivi.

Jos määritellään, mitä tarkoittaa se, että jokin on todellista, niin fysiikka voi kertoa, täyttävätkö virtuaaliset hiukkaset tämän kriteerin. Mutta viime kädessä kysymys siitä, mitä sanomme todelliseksi kuuluu filosofian piiriin. Fysiikka voi toki paljastaa (ja joskus ratkaista) filosofisia ongelmia, pakottaa tarkentamaan käsitteitä sekä tarjota mielekkään viitekehyksen abstraktin tuntuisille kysymyksille, joista olisi muuten vaikea saada otetta - kuten sille, mitä on tyhjyys.

Kommentit (26)

Hamilton

Hyvä kirjoitus taas kerran Syksyltä! Erityiset kiitokset siitä, että käsittelit myös itseäni paljon askarruttanutta asiaa virtuaalihiukkasten "todellisesta" luonteesta. Näin maallikkona kun kuuntelee näitä pakostakin kaikkien ymmärrettäväksi yksinkertaistettuja selityksiä eri fysiikan teorioista käy usein mielessä että kuinka suuri osa käytetystä terminologiasta esimerkiksi juuri kvanttifysiikan osalta on "laskennallisia apuvälineitä" ja minkä osan teorioista ajatellaan kuvaavan todellisuutta sellaisenaan.

Mitä esimerkiksi tarkoitetaan "kenttä"-sanalla näissä kuvauksissa? Onko kyse matemaattisesta rakenteesta vai ajatellaanko sillä olevan jokin vastine todellisuudessa? Samoin mietin kuinka suuri osa kvanttifysiikan arkijärjen vastaisista ilmiöistä on itse asiassa käytetystä teoriasta ja mallista kumpuavia ominaisuuksia ja mitkä niistä voidaan palauttaa universumin todellisiksi ominaisuuksiksi.

Vai miettivätkö fyysikot koskaan asioita tältä kantilta, koska - kuten itsekin totesit - kysymys jonkin asian todellisuudesta on enemmän tai vähemmän filosofinen luonteeltaan?

Syksy Räsänen

Se, että jotkut kvanttifysiikan (ja suhteellisuusteorian) piirteet ovat arkijärjen vastaisia, johtuu siitä, että arkiajattelu on kehittynyt arvioimaan ilmiöitä tietyllä skaalalla, joka ei ole kovin iso eikä kovin pieni. Nämä arkijärjen vastaiset piirteet ovat siis todellisempia kuin arkijärjen käsitykset.

Esimerkiksi joskus puhutaan kvanttimekaniikan paradokseista, mutta itseasiassa kvanttimekaniikka on täysin ristiriidaton rakennelma. Näennäisiä paradokseja syntyy vain yritettäessä kuvata kvanttimekaanista todellisuutta arkijärjen käsitteillä, jotka ovat siihen riittämättömiä.

Sanalla "kenttä" on kvanttikenttäteorioissa tarkka merkitys, jonka tekeminen ymmärrettäväksi muuten kuin joko matemaattisesti tai sitten kuvailevalla tasolla vaatisi jonkun verran sanoja. Sanoisin, että kvanttikenttä on kyllä yhtä todellinen kuin vaikkapa tuoli. Tai ehkä todellisempi kuin tuoli, koska se kuvaa todellisuutta perustavanlaatuisemmalla tasolla - ja tuolihan on hyvin epämääräinen käsite.

Hiukkasfysiikassa ja kosmologiassa käsitellään paljon sitä, mikä on havaittavaa ja mikä ei. "Havaittavan" ja "todellisen" mahdollista eroa ei juuri pohdita, koska sillä ei yleensä ole fysiikan kannalta merkitystä.

lektu

1) Voisitko kertoa pari esimerkkiä, että mitkä ovat arkijärjen vastaisia?

2) “Havaittavan” ja “todellisen” mahdollista eroa ei juuri pohdita, koska sillä ei yleensä ole fysiikan kannalta merkitystä.

Kokeellinen fysiikka oli kova sana vielä 1900-luvulla

Samuli

"Nykyään ymmärrämme kvanttikenttäteorioiden avulla, että aine on avaruuden täyttävien kvanttikenttien värähtelyjä. Jokaista hiukkaslajia vastaa oma kenttänsä. Esimerkiksi yksittäinen elektroni on paikallinen, liikkuva kukkula elektronikentässä, kuin aalto veden pinnalla. Vastaavasti fotonihiukkanen on väre fotonikentässä, ja niin edelleen. Voidaan siten kutsua “tyhjöksi” tilannetta, jossa kaikissa hiukkaskentissä on pienin mahdollinen määrä värähtelyjä."

Far out dude! Todellisuus on satua lumoavampaa.

Mutta jos kaikki näkyvä aine on pohjimmiltaan kuin kuplia lammen pinnalla, niin eikö tämä näkemämme ole oikeastaan illusorista.

Teemu

Hmm, eikös tuo Casimirin levy-koe periaatteessa osoita että virtuaalihiukkaset ovat "todellisia", siinä mielessä että kenttäfluktuaatiot aiheuttavat eri suuren paineen tyhjiön eri osiin?

Phi [fii]

Kiitos kiintoisasta jutusta.

Valaisisiko mustan kappaleen säteily tätä virtuaalihiukkasten todellisuuden olemusta? Hawking muistaakseni selitti sen niin, että jos tapahtumahorisontin tuntumassa syntyy tällainen tyhjästä nyhjäisty virtuaalihiukkaspari, jonka antimateriaa oleva osapuoli putoaa mustaan aukkoon, niin se toinen osapuoli ilmenee mustan aukon (hiukkas)säteilynä ja on siten aivan 'oikea' hiukkanen. Antihiukkanen puolestaan on aivan yhtä ¨'oikea' ja pienentää mustan aukon massaa.

Kai se Hawking senkin jotenkin selitti, mutta minulle ei kuitenkaan valjennut se, että miksi juuri antihiukkasilla olisi suurempi mahdollisuus pudota mustaan aukkoon. Luulisi tuossa mustan aukon vaiheilla muodostuvissa pareissa kummallakin osapuolella olevan yhtäläiset mahdollisuudet karata, jolloin säteily olisi sekä hiukkasia että antihiukkasia, nettovaikutukseltaan tyhjää, eikä musta aukko säteilisikään itseään kuiviin.

Jyri T.

1) Eli kaikki aine on itse asiassa vain jonkin kentän / joidenkin kenttien resonanssia?

2) Mutta mistä elektroni tietää, että fotoni on tullut toiselta elektronilta (joka hylkii sitä) tai protonilta (joka vetää sitä puoleensa)?

3) Paljonko tarvitaan energiaa esim. yhden kuutiometrin suuruisen tyhjön 'luomiseen'?

Syksy Räsänen

lektu:

Kvanttifysiikan arkijärjen vastaiset piirteet ansaitsivat oman merkintänsä, tai useita. Kenties palaan aiheeseen myöhemmin vaikkapa Bellin epäyhtälön kautta. Mutta yleisluontoisena esimerkkinä arkiajattelulle vieraista piirteistä mainittakoon se, että hiukkasilla -tai yleensä esineillä- ei ole määrättyä sijaintia, vaan ainoastaan tietty todennäköisyys olla eri paikoissa.

Syksy Räsänen

Teemu:

Casimir-efekti ei eroa millään periaatteellisella tavalla muista hiukkasfysiikan ilmiöistä, joissa virtuaalisten hiukkasten vaikutus voidaan mitata. Itseasiassa Casimir-efektin voi laskea yksinkertaisesti kahden levyn välisessä sähkömagneettisessa voimassa tapahtuvan muutoksen kautta, puhumatta mitään tyhjöstä. (Palaan aiheeseen kenties myöhemmin.)

Syksy Räsänen

Phi [fii]:

Mustien aukkojen säteily ei tuo mitään uutta virtuaalisten hiukkasten todellisuuden ymmärtämiseen. Mainitsemasi tulkinta siitä kuinka toinen hiukkanen putoaa mustaan aukkoon on vain kuvailua, ei matemaattinen selitys. (Ja kyllä, musta aukko säteile yhtä lailla hiukkasia ja antihiukkasia, mutta molempien energia on positiivinen, joten aukon massa pienenee.)

Hamilton

Oma artikkelinsa kvanttifysiikasta olisi tervetullut.

Tämänkertaisesta kirjoituksestasi sain sen kuvan että esimerkiksi virtuaalihiukkasia voitaisiin pitää "epätodellisina" siinä mielessä, että niitä ei välttämättä tarvittaisi mikäli teorioiden laskeminen onnistuisi ilmankin. Kyse olisi siis matemaattisesta apuvälineestä, ei välttämättä "oikeasti" olemassaolevista hiukkasista.

Samalla tavalla ajattelin, että olisiko mahdollisesti joissain kvanttifysiikan erityispiirteissä kyse samankaltaisesta asiasta, missä jotain piirrettä - esimerkiksi epätarkkuusperiaatetta - ei välttämättä tarvittaisi, jos meillä olisi käytössä paremmat teoreettiset tai kokeelliset välineet asioiden mallintamiseen.

Näin minulle joskus antoi eräs minua enemmän kvanttimaailmaan perehtynyt henkilö ymmärtää. Voidaanko tuo asia että hiukkasilla ei ole määrättyä sijaintia havaita kokeellisesti?

Syksy Räsänen

Jyri T.:

1) Ei, resonanssilla ei ole mitään tekemistä asian kanssa.

2) Protoni vuorovaikuttaa fotonin kanssa eri tavalla kuin elektroni. Feynmanin diagrammien kielellä: vuorovaikutus riippuu koko kuvaajasta, ei sen mistään yksittäisestä palasesta.

3) En tiedä miten ajattelet, että tyhjää tilaa luotaisiin.

Syksy Räsänen

Hamilton:

Ei, kvanttimekaniikkaa ei ole mahdollista sovittaa yhteen arkijärjen kanssa millään tulevalla fysiikan kehityksellä. On toki periaatteessa mahdollista korvata kvanttimekaniikan omituisuudet joillain toisilla omituisuuksilla. Mutta koetulokset ovat ristiriidassa terveen järjen kanssa, sille ei voi mitään. Se, että hiukkasilla ei ole määrättyä sijaintia, on toki havaittu kokeellisesti, esimerkiksi kaksoisrakokokeessa. Kirjoittanen aiheesta myöhemmin lisää,

HooFoo

Miksi Hawkingin säteilyssä virtuaalihiukkasparin karkaava osapuoli tarvitsee lisäenergiaa paetakseen? Musta aukko nappaa horisontin väärälle puolen materialisoituneen hiukkasen ja orpo pari jää vaeltamaan avaruuteen. Tuntuisi loogiselta, että musta aukko kasvaisi, eikä haihtuisi.

Syksy Räsänen

HooFoo:

Voi sanoa, että horisontin lähellä syntyvän hiukkas-antihiukkasparin kokonaisenergia on nolla. Sen hiukkasen, josta tulee todellinen, energia on positiivinen, ja mustaan aukkoon putoavan hiukkasen energia on negatiivinen. Näin musta aukko saa negatiivista energiaa, eli menettää positiivista energiaa.

Mutta tämä puhe napatuista hiukkasista on vain maalailua, eikä asiaa voi täysin ymmärtää siitä syntyvän kuvan perusteella.

HooFoo

Ok, mutta miksei päinvastoin? Eikö painovoima vaikuta positiivisen energian hiukkaseen ja hyljeksi negatiivisen energian hiukkasta? Tällöin mustan aukon massa kasvaisi ja musta aukko syöttäisi universumiin negatiivista hyljeksivää energiaa, mikä selittäisi laajenemisen kiihtymisen.

Jyri T.

3) Tarkoitukseni oli kysyä, onko tyhjöllä jokin mitattu tai teoreettinen minimienergiatila. (Eli paljonko maailmankaikkeus tarvitsee energiaa 'laajentumiseen'.)

Anteeksi, jos tämä tulee tuplana - Soneran laajakaista temppuilee taas...

Syksy Räsänen

HooFoo:

Todellisten hiukkasten energia on aina positiivinen. (Sivumennen sanoen, kun maailmankaikkeuden energiatiheys pienenee, niin laajenemisnopeus hidastuu, ei kiihdy.)

Syksy Räsänen

Jyri T.:

Tyhjän tilan energiatiheys on eräs hiukkaskosmologian suurimpia kysymyksiä, kirjoitan siitä myöhemmin lisää. Ei tiedetä, kuinka suuri tyhjön energiatiheys on.

(Mainittakoon, että ajatus, että maailmankaikkeuden laajeneminen veisi jotakin energiaa on virheellinen. Yleisessä suhteellisuusteoriassa energia ei ole säilyvä suure - tai yleensä edes suure, joka olisi hyvin määritelty.)

Petri M., Vantaa

"Fysiikka voi toki paljastaa (ja joskus ratkaista) filosofisia ongelmia, pakottaa tarkentamaan käsitteitä sekä tarjota mielekkään viitekehyksen abstraktin tuntuisille kysymyksille, joista olisi muuten vaikea saada otetta - kuten sille, mitä on tyhjyys."

Vähemmän abstraktilta tuntuva mutta visainen kysymys, johon siihenkin olisi kiva saada jonain kauniina päivänä vastaus: Mitä on massa? :D

Syksy Räsänen

Kirjoitan kenties massasta joskus. Vastaus kysymykseen on hieman monimutkainen, kunnollinen ymmärrys massasta on saatu vasta yleisessä suhteellisuusteoriassa.

Hannu

Erityisesti regularistille fysikaalisen ja loogisen determinismin käsitteellinen erottaminen on hyödyllistä, sillä hänen kannaltaan niillä ei ole mitään eroa. Swartz valaisee asiaa esimerkein:

"Looginen" determinismi
Tänään, 27. helmikuuta vuonna 2467, on totta, että huomenna Kanadan pääministeri harjaa hampaansa BriteWhite-hammastahnalla.

Siis: helmikuun 28. päivänä vuonna 2467 Kanadan pääministeri harjaa hampaansa BriteWhite-hammastahnalla.

"Fysikaalinen" determinismi
Aina kun hopeanitraattiliuosta sekoitetaan pöytäsuolaliuokseen, muodostuu valkoista sakkaa. (luonnonlaki)

Efrem sekoittaa hopeanitraattiliuosta pöytäsuolaliuokseen. (alkuehto)

Miten tämä on ymmärrettävissä, jos ollenkaan?
DI

Hannu

Tuo edellä oleva teksti oli Helsingin yliopiston perusfilosofiaa. Se on 0 on 0. Molempiin suuntiin. Terveiset vaan de la von Wrightille.
"Mikkään ei oo mittään"
DI

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