Edellisessä merkinnässä mainitsin, että virtuaalisten hiukkasten vaikutusta tyhjään tilaan ei täysin ymmärretä. Palaan nyt tyhjän tilan energiaan, joka on hiukkaskosmologian kiistellyimpiä kysymyksiä.

Klassisessa fysiikassa avaruus sinällään ei mitenkään vaikuta aineen käyttäytymiseen, se vain tarjoaa areenan missä temmeltää. Yleisessä suhteellisuusteoriassa sen sijaan aika-avaruus on aktiivinen toimija, se vuorovaikuttaa aineen kanssa ja voi käyttäytyä hassusti ihan yksinäänkin, ilman mitään ainetta. Yksinkertaisin esimerkki tästä lienee se, että tyhjällä tilalla on tietty energiatiheys, joka vaikuttaa avaruuden laajenemiseen.

Tyhjön energiatiheys on myös kvanttikenttäteorioiden oleellinen piirre. Asiaa selitetään joskus siten, että aina on väistämättä läsnä hiukkas-antihiukkaspareja, jotka kiiruhtavat olemattomuudesta olevaiseen ja takaisin. Tämä kuva on ehkä hieman harhaanjohtava, koska virtuaalisten hiukkas-antihiukkasparien kuplintaan ei itseasiassa liity energiaa. Hiukkaskenttien värähtelyiden ja tyhjön energiatiheyden suhde on monisyisempi.

Totta kuitenkin on, että realistiset kvanttikenttäteoriat ennustavat, että tyhjöllä on monimutkainen rakenne, johon liittyy jokin energia. Ne eivät kuitenkaan pysty kertomaan, kuinka iso tuo energia on. Tilanne on sama kuin hiukkasten massojen suhteen: Standardimalli kertoo, että hiukkasilla on massat, mutta ei sitä, mitkä ne ovat.

On kyllä olemassa kvanttikenttäteorioita, joissa tyhjön energia on määrätty. Malleissa, joissa vallitsee rikkoutumaton supersymmetria, tyhjön energia on nolla. Supersymmetriassa hiukkasten ja niiden partnerien vaikutus tyhjön energiaan on yhtä iso, mutta vastakkaismerkkinen: sen minkä hiukkanen tuo, partneri vie pois. Hieno tulos. Mutta koska superpartnereita ei ole nähty, supersymmetrian pitää olla rikkoutunut, ja silloin tasapaino häviää, eikä hiukkasten ja niiden partnerien työmäärä ole enää sama.

Ei tiedetä, onko supersymmetriaa olemassa, ja realistisemmissa supersymmetrisissä malleissa, joissa otetaan gravitaatio huomioon, tilanne on sama kuin Standardimallissa: tyhjöllä on joku energiatiheys, mutta ei tiedetä mikä se on.

Pitkään ajateltiin, että on olemassa jokin toistaiseksi tuntematon periaate, joka säätää tyhjön energian nollaksi, joten asiasta ei tarvitsisi huolehtia. Vuoden 1998 supernovahavaintojen jälkeen on kuitenkin katsottu, että ongelma pitää kohdata silmästä silmään. Havaintojen mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt viimeisen muutaman miljardin vuoden aikana. Yleisimmin omaksutun selityksen mukaan vastuussa on tyhjön energia. Muitakin mahdollisuuksia on, joten voi olla että tyhjön energia on oikeasti nolla, mutta ne eivät ole yhtä suosittuja.

Havainnot ja teoria sopivat hyvin yhteen siinä mielessä, että kvanttikenttäteorioiden mukaan tyhjöllä on energiaa, suhteellisuusteorian mukaan tyhjön energia johtaa kiihtyvään laajenemiseen ja havainnot osoittavat että laajeneminen tosiaan kiihtyy. Mutta harva on tilanteeseen tyytyväinen.

Yksinkertaisten supersymmetristen mallien ennustama tyhjön energia on samaa suuruusluokkaa kuin partnerien massojen välinen ero, mikä on vähintään miljardi miljardia miljardia miljardia miljardia kertaa isompi kuin se tyhjön energia, joka sopisi havaintoihin. Realistisissa malleissa taas ei ole ennustetta lainkaan - vaikea sanoa, onko tämä parempi vai huonompi tilanne. Kaikenlaisia järkeviä ja monenlaisia järjettömiä syitä on esitetty sille, miksi tyhjön energia, tai ainakin sen vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen, olisi niin kohtuuttoman pieni, mutta kukaan ei ole keksinyt mitään täysin vakuuttavaa.

Vaikuttaa siltä, että tarvitaan joku kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämiseen liittyvä teoreettinen läpimurto, ennen kuin ymmärrämme yksinkertaisimman mahdollisen tilan ominaisuuksia, ainakin mitä gravitaatioon tulee.

LHC-päivitys:: Kaikkien hiukkasfyysikoiden sankari on palannut kuvioihin tänä viikonloppuna. Säde kiertää taas, kuukaudessa pitäisi päästä suunniteltuun 7 TeVin maksimitörmäysenergiaan.

Kommentit (20)

Syksy Räsänen

Casimir-efekti ei sopinutkaan tähän merkintään, palaan siihen kenties toiste, mahdollisesti kvanttimekaniikan kummallisuuksien kohdalla.

Teemu

Eipä tuo haitanne - jos siis kyseisessä kokeessa olikin kyse loppujen lopuksi vain ja ainoastaan Van der Wals voimasta levyjen välillä. Tällöinhän kyseessä on aika tylsä tulos, siis verrattuna vaihtoehtoon. :)

Itselle oli jostain jäänyt se harhakuva, että koe olisi osoittanut suuremman tuloksen mitä tuo pelkkä klassinen lasku antaisi ja olisi täten ollut epäsuora osoitus virtuaali-hiukkasparien "todellisuudesta"

Mutta palatakseni ihan hetkeksi vielä virtuaali-hiukkasiin - voisiko ongelmaa lähestyä sitten esim pohtimalla jarrutussäteilyä? Tai mitä tahansa muuta prosessia, missä virtuaalset fotonit promotoituvat oikeiksi?

Syksy Räsänen

Teemu:

Casimir-efekti on toki ei-klassinen, kyse on relativistisesta ja kvanttimekaanisesta vuorovaikutuksesta kahden johtavan pinnan välillä. Mutta virtuaaliset hiukkaset osallistuvat siihen samalla tapaa kuin muihinkin kvanttikenttäteoreettisiin laskuihin. (Yksityiskohdista, ks. http://arxiv.org/abs/hep-th/0503158.)

Jarrutussäteily ei nähdäkseni eroa mitenkään mistään muista sirontakokeista, joissa on lopussa eri määrä hiukkasia kuin alussa.

Petri M., Vantaa

Osaatko sanoa, millainen vaikutus maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen on sillä, että ultra-high-energy cosmic ray (UHECR) or extreme-energy cosmic ray (EECR) - whatever you call it - hajoaa? Kysyn siis puhtaasti _teoreettista_ deltaa laajenemisnopeuteen, nykytiedolla tämän ilmiön mikään oikeasti merkittävä vaikutus lienee jo poisluettu laajenemisen kiihtymisen selityksenä?

Olisiko vaikutus siis teoriassa täsmälleen nolla, hidastava vai kiihdyttävä? Onko väliä sillä, mikä on hajoamisen laatu fotonien ja tytärhiukkasten massan kesken?

Pekka

Toivon että palaat pian Casimir-efektiin, koska se tuntuu vaikutuksiltaan niin samanlaiselta kuin mitä nyt pohditaan pimeän energian tapauksessa. Hyvää alkanutta kevättä kaikille!!

Syksy Räsänen

Petri M.:

Kosmisilla säteillä ei ole mitään tekemistä maailmankaikkeuden laajenemisen kanssa.

Tarkkailija

Mikäli Universumin kiihtyvä laajeneminen jatkuu pysyvästi, eikö se väistämättä johda lopulta siihen, että galaksit saavuttavat joskus valon nopeuden ja muuttuvat energiaksi?

Syksy Räsänen

Tarkkailija:

Avaruuden laajeneminen on eri asia kuin esineiden liikkuminen jollain nopeudella. (Ilmaisu "Galaksien muuttuminen energiaksi" ei muuten tarkoita mitään.)

Mikäli kiihtyvästä laajenemisesta on vastuussa tyhjön energia, niin se ei ole tarpeeksi voimakas rikkomaan jo muodostuneita rakenteita, kuten galakseja tai galaksiryppäitä. Tulevaisuudessa vain galaksiryppäät menevät yhä kauemmaksi toisistaan, kunnes horisonttimme sisällä on vain oma ryppäämme.

Muistutettakoon toki, että ei tiedetä, mistä kiihtyvä laajeneminen johtuu. Joissain malleissa laajeneminen palaa hidastuvaksi, toisissa taas kiihtyvyys kasvaa niin voimakkaasti, että galaksitkin hajoavat lopulta osasikseen.

Jusa

Huomenna sitten 3.5 TeV voimalla? Onko kyseessä pelkkä säteen kierrätys vai säteiden törmäys?

Syksy Räsänen

Jusa:

Käsittääkseni törmäyksiin 3.5 TeVin energialla on määrä päästä vasta kahden viikon kuluttua.

Jusa

Hienoa! Kiinnostaisi tietää mitä tarkoittaa monessa LHC:hen liittyvässä tekstissä käytetty "ramp trial" onko se eri asemien testausta?

Henkka

Eli nyt pitää odotella vielä vähintään kaksi vuotta ennen kuin Higgsin bosoni noilla energioilla on poisluettu tai varmistettu?

Syksy Räsänen

Henkka:

Tästä lisää omassa merkinnässään kunhan tuohon maksimienergiaan päästään, toivon mukaan tiistaina.

Jusa

Terve. Ihan näin ajatus tasolla kiinnostaa nuo mikroskooppiset mustat aukot. Kuinka suuri energia niide syntymiseen tarvitaan riittääkö vielä tuo 7 TeV. Entä jos sellainen syntyisi mitä sille tapahtuisi? Jostain luin, että jos Hawkingin säteily ei toimisikaan se jäisi maapallon ytimeen ja söisi todella hitaalla aika välillä aineen protoneja yms.

Syksy Räsänen

Jusa:

Siteeraan erästä aiempaa kommenttiani.

"Tiettyjen teorioiden mukaan on olemassa ylimääräisiä ulottuvuuksia, joiden koko on tarpeeksi iso (noin 10^(-20) m), että niitä voidaan luodata LHC:ssä. Joissain tällaisissa teorioissa LHC:n törmäyksissä todella syntyy lyhytikäisiä mustia aukkoja. Mustien aukkojen havaitsemista on tutkittu useissa tieteellisissä artikkeleissa.

Henkilökohtaisesti pidän epäluultavana, että nämä teoriat pitävät paikkansa. Jos ylimääräisiä ulottuvuuksia on olemassa, se energiaskaala, millä mustia aukkoja syntyy törmäyksissä, voi olla mitä tahansa yhden TeVin ja 10^(16) TeVin väliltä. (TeV on 10^(12) elektronivolttia, energian yksikkö, jota en aio tässä selventää.) Mustista aukoista ei ole näkynyt vihjettäkään aiemmissa kiihdyttimissä, joten tiedämme, että skaalan pitää olla vähintään 10 TeV. LHC:n maksimienergia on 14 TeV. Ei ole mitään syytä, miksi mustien aukkojen tuottamisenergia osuisi juuri tähän pieneen väliin."

Jusa

Mistä tiedetään että mustien aukkojen syntyyn pitää olla vähintään 10 TeV, eihän aikaisemmilla hiukkaskiihdyttimillä ole päästy kuin alle 3 TeV

Syksy Räsänen

Jusa:

Mustien aukkojen tuottamiseen johtava fysiikka vaikuttaisi törmäysprosessien yksityiskohtiin jo alemmilla energioilla kuin millä mustia aukkoja syntyisi.

Jyri Tynkkynen

Minulle on ollut vaikeaa käsittää virtuaalisten hiukkasten ja voimakenttien välinen yhteys sekä virtuaalisten ja 'todellisten' hiukkasten välinen ero, mutta sain lisävalaistusta nettisivulta http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/virtual_particles.html

(Korjatkaa, jos olen väärässä, mutta) ilmeisesti virtuaaliset hiukkaset ovat olemassa niin lyhyen aikaa, että meidän arkikokemuksemme (makrotason) maailmankaikkeus ei 'ehdi' havaita sitä ja siksi niitä ei havaita suoraan. Mutta mm. todellisten hiukkasten välittömässä läheisyydessä ja mustien aukkojen tapahtumahorisontissa ne saavat aikaan havaittavia vaikutuksia myös makrotason maailmaan.

Ja voimakentän olemukseen liittyy oleellisesti, että (Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan) tarkasti tunnettu (kvantittunut) energiamäärä leviää väistämättä koko tarjolla olevaan fyysiseen tilaan. 'Leviämisen' (delokalisaatio?) vuoksi voimakentän virtuaaliset hiukkaset eivät voi olla suoraan havaittavia vaan pysyvät aaltoliikkeenä (elleivät ne vuorovaikuta materian kanssa).

Olenko ymmärtänyt oikein?

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