Kvanttimekaniikkaa verhoaa yhä käsittämättömyyden usva. Kuvitus: Petri Rotsten, kuva Getty Images
Kvanttimekaniikkaa verhoaa yhä käsittämättömyyden usva. Kuvitus: Petri Rotsten, kuva Getty Images

Avaruus on mikroskooppisten kvanttien tanssivaa vaahtoa, suitsuttaa italialaisfyysikko.

iime vuosisata jätti meille kaksi jalokiveä: yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan. Ne ovat olleet ylenpalttisia lahjoja, joiden avulla olemme käsittäneet maailman ja synnyttäneet nykyaikaisen teknologian. Näin suitsuttaa italialaisfyysikko Carlo Rovelli, joka on myös ansioitunut tietokirjoittaja.

Suhteellisuusteoria kertoo, kuinka massat kaareuttavat avaruutta. Sen avulla ymmärrämme mustia aukkoja, painovoima-aaltoja ja koko universumin laajentumista. Teoria on yhden neron, Albert Einsteinin, kaunis ja eheä luomus. Kvanttimekaniikka, joka on avain atomien ja hiukkasten maailmaan, puolestaan pohjaa kokeelliseen tutkimukseen ja sen takana on koko joukko fysiikan nokkamiehiä.

Teoriat ovat poikineet sovelluksia avaruuslennoista paikannukseen, ledeistä ja lasereista tietokoneisiin. Miksi fyysikot eivät sitten hykerrä tyytyväisyyttään?

Asia on niin – eikun näin

Rovellilla on mainio esimerkki: opiskelija, joka käy aamupäivällä yleisen suhteellisuusteorian luennoilla ja opiskelee iltapäivisin kvanttimekaniikkaa. Hän voi pitää opettajiaan typeryksinä tai arvella, että he eivät ole vaihtaneet ajatuksia sataan vuoteen. ”Aamupäivisin maailma on kaareutunut ja jatkuva, iltapäivisin epäjatkuvat energiakvantit hyppelevät ja vuorovaikuttavat tasaisessa maailmassa.”

Sisältö jatkuu mainoksen alla
Sisältö jatkuu mainoksen jälkeen

Kirjan aiheena on kvanttigravitaatio, teoria, joka haluaa ratkaista suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan ristiriidan. Se ei tule vastaan arjessa – ja tieteessäkin harvoin.

Planeettojen kulku selittyy ilman kvantteja. Atomit taas ovat niin kevyitä, että voimme unohtaa gravitaation. Mutta iso kauneusvirhe tässä on. Jos meillä on kaksi maailmaa selittävää fysiikan teoriaa, niin pitäisihän niiden edustaa samaa maailmaa!

Ongelmaan ovat vuosikymmenten mittaan tarttuneet monet nimekkäät fyysikot, kuten Paul Dirac ja Richard Feynman, mutta ratkaisua ei ole löytynyt.

Rovellin vastaus on silmukkakvanttigravitaatio. Siihen hän johdattelee pikkuhiljaa lähtien suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan perusteista. Varsinkin jälkimmäisissä on pähkäilemistä. Yli vuosisata keksimisensä jälkeen kvanttimekaniikkaa verhoaa yhä käsittämättömyyden usva, Rovelli luonnehtii.

Avaruuskin on rakeinen

Aloitetaan aasta. Lähes kaikki luonnon muuttujista ovat kvantittuneita eli esiintyvät pieninä paketteina, esimerkiksi energia. Atomiytimestä ulos singahtavalla elektronilla on aina energia, joka on tietyn pikkupaketin monikerta. Luonnon perusvoimista sähkömagneettinen voima sekä vahva- ja heikko ydinvoima ovat kvantittuneita.

Rovelli käyttää ilmausta rakeinen: luonto ei ole jatkuva vaan rakeinen. Paitsi aika ja avaruus, painovoiman tanner.

Silmukkakvanttigravitaatio on erittäin matemaattinen teoria. Sen yhtälöistä teoreettiset fyysikot ovat pystyneet johtamaan ratkaisun, jonka mukaan sekä aika että tilavuus – avaruus siis – olisivat kuitenkin aivan aidosti rakeisia. Olisi siis olemassa tilavuuden pienin mahdollinen kvantti, ”avaruuskvantti”.

Kirjoittaja tähdentää useaan otteeseen, että ei pidä ajatella niin, että nämä kvantit lilluisivat tai viuhuisivat avaruudessa – ne eivät ole avaruudessa vaan ne ovat avaruus. Mietipä sitä.

Maailma voi näyttää rauhalliselta, mutta se on harha. Meitä ympäröivän todellisuuden takana on kvanttien jatkuva mikroskooppinen kuhina. ”Jokainen avaruuden kuutiosenttimetri ja jokainen ohitse kiitävä sekunti on äärimmäisen pienten kvanttien tanssivaa vaahtoa. ”

Me emme ulotu kvanttien skaalaan. Karkeana vertauksena voit ajatella t-paitaa: etäältä katsoen tekstiilipinta on tasainen ja vasta aivan läheltä näet neuloksen silmukkariveineen. Teorian nimi ei kuitenkaan juonnu näistä silmukoista vaan siitä, että matemaattiset ratkaisut nojaavat avaruuden suljettuihin linjoihin, silmukoihin.

Ei ihan simppeliä

Kirja on vaativa – maailma nyt vaan ei ole ihan simppeli. Luin jotkin kohdat vähintään kahdesti, mutta epäilen silti paikoin sotkeutuneeni silmukoihin. Kirjoittajan lennokkaat tai filosofiset pohdiskelut kuitenkin sytyttivät. Rovelli myös tuntee tieteensä historian syvällisesti.

Miinus siitä, että Rovelli sivuuttaa muut ratkaisut suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistämiseksi. Kvanttigravitaation parissa ahertaa kyllä satoja fyysikoita eri puolilla maailmaa, mutta ainakin yhtä aktiivisesti tutkitaan säieteorioita, jotka kuitataan yhtenä alaviitteenä.

Suomennos on vivahteikasta kieltä ja tavoittaa Rovellin innostuksen. Kiitokset Tuukka Perhoniemelle.

Tuula Koukku on eläkkeellä oleva päätoimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2020.

Käyttäjä21000
Seuraa 
Viestejä2

Jos olisit käyttänyt vähemmän sanaa luuseri, ja pysynyt asiassa mihin sinä uskot. Niin voisin olla samaa mieltä kuin sinä. Nyt en aio edes yrittää ymmärtää sinua, kun jaottelet ihmisiä noin. Maailmankaikkeus ei ainakaan toimi niin että sinä olet oikeassa ja he väärässä.

Goswell
Seuraa 
Viestejä14815

Pakko se on tätäkin hämmentää.

Kvanttifluktuaatio. syntyy ja tuhoutuu tyhjästä niin nopeasti että ei riko luonnonlakeja, tuohon se jo kaatuu, tyhjästä ei synny mitään, ei nopeasti, ei hitaasti. Luulisi jokaisen tajuavat että mahdoton ei tapahdu aikaa lyhentämällä.

Todisteena pari kiillotettua levyä tyhjiössä, syntyy voima niiden väliin, olisiko gravitaatio ja tai residuaarinen sm-voima.

Minun mielestä noin.

Sisältö jatkuu mainoksen alla