Hiukkasfysiikan standardimalli rakentuu Yangin–Millsin teorian ympärille, mutta teorialta puuttuu yhä kelvollinen matemaattinen pohja.

Teksti: Kaisa Kangas

Yhtenäisteoriaa, joka selittäisi kaikki fysikaalisen maailman ilmiöt, on sanottu fysiikan graalin maljaksi. Sen laatiminen vaatisi yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistämistä, mikä vaikuttaa lähes mahdottomalta tehtävältä.Tilanne on lupaavampi, jos jätetään huomiotta painovoima ja tarkastellaan vain aineen pienimpien osasten, alkeishiukkasten, tasolla tapahtuvia vuorovaikutuksia. Niitä kuvaava hiukkasfysiikan standardimalli on kaikkien aikojen tarkin luonnontieteellinen teoria. Se rakentuu Yangin–Millsin teoriaksi kutsutun viitekehyksen ympärille. Tämä viitekehys on osoittautunut toimivaksi tavaksi kuvata fysikaalista maailmaa, mutta sillä ei vieläkään ole kelvollista matemaattista pohjaa. Sen kehittämisestä voi saada miljoonan dollarin palkinnon.

Muutto kvanttimaailmaan

1900-luvun alussa aineen perimmäiseen luonteeseen liittyvät kysymykset johtivat fyysikot kyseenalaistamaan käsityksiä maailman olemuksesta. Syntyi kvanttimekaniikaksi nimitetty teoria, jonka mukaan todellisuuden luonne on pohjimmiltaan epämääräinen ja satunnainen. Hiukkasella ei ole tarkkaa paikkaa tai nopeutta, ja monia sen ominaisuuksia kuvaa vain todennäköisyysjakauma. Ilmiö ei johdu siitä, että meillä ei olisi käytössämme riittävän tarkkoja mittauslaitteita, vaan epämääräisyys on fysikaalisen todellisuuden perusluonteinen ominaisuus.Kvanttimekaniikkaan liittyvät tulokset ovat intuition vastaisia ja saattavat tuntua jopa paradoksaalisilta. Nobel-palkittu hiukkasfyysikko Murray Gell-Mann kirjoittaa, että kvanttimekaniikka on yksi ihmiskunnan suurimmista saavutuksista mutta samalla yksi vaikeimmista asioista ihmismielen käsittää. Sen sisäistäminen on hankalaa, vaikka olisi kymmenien vuosien ajan käyttänyt sitä päivittäin työssään.Kvanttimekaniikan synnystä tulikin eräänlainen käännekohta fysikaalisen todellisuuden tutkimisessa. Fysiikan ilmiöitä ei enää voinut hahmottaa arkijärjellä, vaan niitä saattoi käsitellä ainoastaan matematiikan avulla. Matematiikasta oli tullut ainoa tapa todella ymmärtää fysikaalista maailmaa.

Perusvoimat jylläävät

Luonnossa on havaittu neljä perusvuorovaikutusta, joihin fysiikan lait pohjautuvat: painovoima, sähkömagnetismi, vahva vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus. Kolmea viimeistä kuvaavat teoriat ovat sopusoinnussa kvanttimekaniikan kanssa.Sähkömagneettinen vuorovaikutus saa vastakkaismerkkiset varaukset vetämään toisiaan puoleensa ja samanmerkkiset varaukset hylkimään toisiaan. Sen ansiosta negatiivisesti varautuneet elektronit pysyvät positiivisesti varautuneen atomiytimen läheisyydessä. Atomiytimessä on kuitenkin positiivisesti varautuneita protoneja, jotka hylkivät toisiaan sähkömagneettisesti. Ne sitoo yhteen vahva vuorovaikutus, joka on saanut nimensä siitä, että se on riittävän voimakas kumoamaan sähkömagneettisen voiman, joka työntää protoneja poispäin toisistaan. Heikko vuorovaikutus puolestaan selittää tiettyjen radioaktiivisten isotooppien hajoamisen.Vuorovaikutuksia ajatellaan koko avaruuden täyttävinä kenttinä, joilla on tietty vaikutus jokaisessa pisteessä. Vaikutus ei kuitenkaan ole tasainen, vaan kentät ovat jakautuneet pieniksi energiapaketeiksi, kvanteiksi. Näitä paketteja voi ajatella myös kenttään liittyvää vuorovaikutusta kantavina välittäjähiukkasina. Vaikkapa elektronit eivät vaikuta suoraan toisiinsa, vaan sähkömagneettisen kentän välittäjähiukkaset, fotonit, kuljettavat tiedon negatiivisesta varauksesta elektronilta toiselle. Asiaa sotkee entisestään se, että myös elektronit ja muut ainehiukkaset käyttäytyvät toisinaan enemmän kentän kuin hiukkasen tavoin. Oikeastaan esimerkiksi elektronia pitäisi ajatella koko avaruuden täyttävänä kenttänä, jossa meidän havaitsemamme elektronihiukkaset ovat eräänlaisia energiakeskittymiä, elektronikentän kvantteja.

Standardimalli kestää

Sodanjälkeisenä aikana nähtiin perusvuorovaikutuksia kuvaavien kvanttikenttäteorioiden voittokulku, joka johti lukuisiin Nobelin palkintoihin. Millekään muulle fysiikan osa-alueelle niitä ei ole jaettu yhtä paljon. Tämä kehitys antaa toivoa, että kolme kvanttitason vuorovaikutusta yhdistävä teoria ei välttämättä ole enää kaukana. Kantavana ajatuksena kvanttikenttäteorioissa on symmetria. Teorian ennusteiden on pysyttävä samanlaisina, vaikka kuvattavaan fysikaaliseen tilanteeseen tehtäisiin tiettyjä muutoksia. Tällaisia voivat olla vaikkapa vasemman ja oikean vaihtaminen toisikseen tai hiukkasten vaihtaminen antihiukkasikseen. Symmetriaan perustuvia kvanttimekaanisia teorioita oli rakennettu aikaisemminkin, mutta vuonna 1954 Chen-Ning Yang ja Robert Mills esittivät niille uudenlaisen viitekehyksen, jossa symmetriaominaisuudet olivat matemaattisesti monimutkaisempia kuin aiemmissa teorioissa. Tämän viitekehyksen pohjalta rakennettuja teorioita nimitetään Yangin–Millsin teorioiksi. Ne osoittautuivat pian varsin hedelmällisiksi. 1960-luvulla syntyivät niin sanottu sähköheikkoteoria, joka yhdisti onnistuneesti sähkömagnetismin ja heikon vuorovaikutuksen, sekä vahvaa vuorovaikutusta äärimmäisen tarkasti kuvaava kvanttikromodynamiikka. Yhdessä nämä kaksi teoriaa muodostavat hiukkasfysiikan standardimallin.Standardimallilla on tukenaan valtava määrä kokeellista aineistoa. Se on koko historian tarkimmin varmennettu luonnontieteellinen teoria. Standardimalli ei kuitenkaan riitä yhdistämään kaikkia kolmea kvanttitason vuorovaikutusta, vaan sitä pitäisi laajentaa tai sitten se täytyisi korvata kokonaan uudella teorialla. Fyysikot uskovat, että maailmankaikkeuden alkuhetkillä vuorovaikutukset olivat sekoittuneina mutta erkanivat toisistaan lämpötilan laskiessa. Hyvin suurilla energioilla niiden pitäisi jälleen yhdistyä. Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen Cernin uusi kiihdytin on toiminut hieman yli vuoden ajan suuremmilla energioilla kuin mikään hiukkaskiihdytin aikaisemmin. Toiveena on, että se ennemmin tai myöhemmin löytää vihjeitä standardimallin tuolla puolen olevasta fysiikasta, mutta ainakaan toistaiseksi tällaisia tuloksia ei ole saatu.

Vahvalle pohjalle?

Yangin–Millsin viitekehys saattaa osoittautua tehokkaaksi asian teoreettisessa kuvaamisessa. Sillä on takanaan niin paljon kokeellista aineistoa, että se on fysikaalisesti pätevä teoria. Se ei kuitenkaan ole hyvin määritelty matemaattinen teoria, sillä yksityiskohdat eivät ole riittävän täsmällisellä pohjalla. Tilanne ei ole mitenkään uusi tai poikkeuksellinen – fysiikassa on monesti käytetty matemaattisia menetelmiä, joiden yksityiskohdat ovat vielä kaivanneet hiomista. Esimerkiksi Newton käytti painovoimateoriaa laatiessaan differentiaali- ja integraalilaskentaa, mutta kesti parisataa vuotta ennen kuin nämä menetelmät saatiin asetettua täsmälliseen matemaattiseen viitekehykseen. Miljoonan dollarin Millennium-palkintoa mielivän on nyt todistettava, että on olemassa symmetrian varaan rakentuva Yangin–Millsin teoria, joka täyttää joukon matemaattisia vaatimuksia. Osa näistä vaatimuksista liittyy yritykseen luoda kvanttikenttäteorian aksioomia, ehtoja, jotka teorian on toteutettava, jotta sitä voisi ylipäänsä kutsua kvanttikenttäteoriaksi.Lisäksi teorian on vastattava tiettyjä kokeellisia havaintoja. Merkittävin näistä on niin sanotun massavälin olemassaolo. Kokeiden lisäksi tietokonesimulaatiot ja approksimatiiviset laskut ovat vakuuttaneet fyysikot siitä, että Yangin–Millsin teorioiden hiukkasilla on aina vähintään tietty kynnysenergia, jonka arvoa nimitetään massaväliksi. Sen olemassaolo tarkoittaa, että hiukkaset voivat esiintyä vain sellaisina yhdistelminä, joilla on tietty minimimassa.Tämän uskotaan selittävän, miksi vahvalla vuorovaikutuksella on niin lyhyt kantama.  Vahvaa vuorovaikutusta välittävät gluoneiksi nimitetyt hiukkaset, jotka liimaavat kvarkit yhteen protoneiksi. Gluonit itsessään ovat massattomia, mutta massavälin vuoksi ne eivät pysty koskaan esiintymään yksinään vaan ryhmittyvät massallisiksi liimapalloiksi. Koska liimapalloilla on massa, ne eivät pysty liikkumaan yhtä vaivattomasti kuin sähkömagneettista vuorovaikutusta välittävät massattomat fotonit, vaan vahvan vuorovaikutuksen kantama jää lyhyeksi.

Massavälin ymmärrys auttaisi

Monet fyysikot katsovat, että ongelma on jo käytännössä ratkaistu, sillä kokeelliset havainnot ovat osoittaneet Yangin–Millsin teorian toimivuuden. Matematiikan kannalta ratkaisulla voisi kuitenkin olla suuri merkitys. Harvardin yliopistossa työskentelevän kvanttikenttäteoreetikon Arthur Jaffen mukaan se voisi merkitä alkua kokonaiselle uudelle matematiikan haaralle, jolla olisi syvällinen yhteys maailmankaikkeuden ymmärtämiseen. Merkittävänä ongelman näkee myös ”matematiikan Nobelina” tunnetulla Fieldsin mitalilla palkittu matemaattisen fysiikan tutkija Edward Witten. Hänen mielestään Yangin–Millsin teorian matemaattinen muotoileminen tarkoittaisi hiukkasfysiikan standardimallin kunnollista ymmärtämistä. Witten ei kuitenkaan usko, että tämä olisi kovin tärkeää fyysikoille, jotka katsovat jo ymmärtävänsä teorian toimintamekanismin.Fysiikan kannalta olisi kuitenkin merkittävää, jos teorian matemaattinen muotoilu selittäisi massavälin olemassaolon. Sitä fyysikot eivät vielä kunnolla ymmärrä. Jos saavutettaisiin syvällinen fysikaalinen ymmärrys massavälistä ja saataisiin laadituksi tiukat matemaattiset kriteerit toteuttava esimerkki Yangin–Millsin teoriasta, olisi kenties käsissä välineet kuvata kaikki kolme kvanttitason perusvuorovaikutusta yhdessä teoriassa. Se olisi askel kohti fyysikkojen suurta unelmaa, yhtenäisteoriaa, joka kuvaisi kaikki fysiikan lait.

Julkaistu Tiede -lehdessä 8/2011

Kaisa Kangas on matematiikan jatko-opiskelija, filosofian maisteri ja humanististen tieteiden kandidaatti.

Hyvä harrastus – ja helppo. Lukemista löytyy aina. Kuva: Shutterstock

Kieli rikastuu, ajattelu syvenee ja sosiaalinen taju kehittyy.

Tietokirjan järki on selvä: saa tietoa, jolla jäsentää maailmaa ja vaientaa mutuilijat. Riittävästi tietoa hankkimalla tulee asiantuntijaksi, ja sillä on selvä hyötyarvo.

Entä missä on fiktion lukijan tulosvastuu? Mitä itua on kuluttaa aikaansa tuntitolkulla hatusta vedettyjen ihmisten hatusta vedettyihin edesottamuksiin? Paljonkin: romaani tai novelli opettaa toimimaan muiden ihmisten kanssa.

Fiktio simuloi sosiaalista maailmaa, esittää asiaa tutkinut Toronton yliopiston psykologian professori Keith Oatley. Niin kuin lentosimulaattori opettaa lentotaitoja, sosiaalisten tilanteiden simulaattori – romaani – opettaa sosiaalisia taitoja.

Kokeet vahvistavat, että fiktiota lukeneet tajuavat paremmin so­siaalisia kuvioita kuin tietotekstiä lukeneet. 

Suvaitsevaisuus kasvaa

Kuvitteellisesta tarinasta on sekin ilo, että pääsee väliaikaisesti jonkun toisen nahkoihin. Samastuminen tarinan henkilöön voi muuttaa lukijan käyttäytymistä ja pistää asenteet uusiksi, ovat kokeillaan osoittaneet Ohion yliopiston tutkijat.

Samastumisella on vaaransa. Romaanin aiheuttama itsemurha-aalto koettiin 1700-luvun lopulla, kun nuoret onnettomat miehet matkivat Johan Wolfgang von Goethen päähenkilön tekoa Nuoren Wertherin kärsimyksissä.

Ohiolaistutkimuksessa vaikutus oli rakentavampi: kun nuoret aikuiset olivat lukeneet tarinan miehestä, joka meni äänestämään, he menivät hanakammin vaaliuurnille vielä viikon kuluttua lukemisesta. He olivat saaneet kansalaishyvetartunnan.

Valkoihoisten suvaitsevaisuutta taas kasvattivat tarinat, joissa päähenkilö osoittautui homoseksuaaliksi tai afroamerikkalaiseksi. Lukijoilta karisi myös stereotypioita. Tämä kuitenkin edellytti, että päähenkilön ”erilaisuus” paljastui vasta tarinan myöhemmässä vaiheessa ja lukijat olivat ehtineet asettua hänen nahkoihinsa.

Stressi väistyy

Kun uppoutuu lukemaan, maailman meteli jää kauas ja paineet hellittävät. Tuttu tunne, josta on myös tieteelliset näytöt: lukeminen poistaa stressiä.

Terveystieteen opiskelijat saivat Yhdysvalloissa tehdyssä tutkimuksessa lukeakseen netistä ja aikakauslehdestä poimittuja artikkeleita, jotka käsittelivät historiallisia tapauksia ja tulevaisuuden innovaatioita. Aihepiirit olivat siis kaukana tenttikirjojen pakkolukemistosta.

Puolentunnin lukutuokio riitti laskemaan verenpainetta, sykettä ja stressin tuntua. Huojennus on yhtä suuri kuin samanpituisella joogahetkellä tai televisiohuumorin katselulla. Mikä parasta, apu löytyy helposti, lukemista kun on aina saatavilla.

Sanasto karttuu

Kirjoitettu kieli on ylivoimaisesti suurempi uusien sanojen lähde kuin puhuttu. Erot lasten sanavaraston runsaudessa voi johtaa suoraan siihen, miten paljon he altistuvat erilaisille teksteille, vakuuttavat lukemisen tutkijat Anne Cunningham ja Keith Stanovich.

Tiuhimmin uutta sanastoa kohtaa tieteellisten julkaisujen tiivistelmissä: tuhatta sanaa kohti harvinaisia on peräti 128. Sanoma- ja aikakauslehdissä harvinaisten sanojen tiheys nousee yli 65:n ja aikuisten kirjoissa yli 50:n.

Lastenkirjakin voittaa sanaston monipuolisuudessa televisio-ohjelman mennen tullen. Lapsilukija kohtaa kirjassa yli 30 harvinaista sanaa tuhatta kohti, kun aikuisten telkkariviihdettä katsoessa niitä tulee vastaan 23 ja lastenohjelmissa 20.

Juttelukaan ei pahemmin kartuta sanavarastoa. Aikuispuhe sisältää vain 17 epätavallista sanaa tuhatta kohti.

Syntyy omia ajatuksia

Ihmisen aivoja ei ole ohjelmoitu lukemaan. Kun taito kehittyi 5 500 vuotta sitten, näkemiseen, kuulemiseen, puhumiseen ja ajatteluun rakentuneet alueet alkoivat tehdä uudenlaista yhteistyötä.

Nyt olemme jälleen uudenlaisen lukukulttuurin alussa. Verkkolukeminen on tullut jäädäkseen, ja jotkut pelkäävät, että tyhmistymme, kun totutamme aivomme ärsyketulvaan ja pikaselailuun netissä. Tiedonvälitys on lisääntynyt räjähdysmäisesti mutta niin myös häly.

Syventyvän lukemisen kohtalosta kantaa huolta professori Maryanne Wolf Tufts-yliopistosta. Tapaa näet kannattaisi vaalia. Aivokuvaukset paljastavat, että paneutuva lukija käyttää laajasti molempia aivopuoliskojaan. Hän ei vain vastaanota kirjoittajan sanomaa vaan vertaa sitä aiemmin hankkimaansa tietoon, erittelee sitä ja rakentaa omaa ajatteluaan. Pintalukijalla ei tähän ole aikaa.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 12/2012 

Täysin raittiiden suomalaisnuorten osuus on moninkertaistunut vuosituhannen alusta.

Nuoruus raitistuu, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Nuorten alkoholin käyttö kasvoi vuoteen 1999, joka oli myös kaikkein kostein vuosi. Silloin vain joka kymmenes yhdeksäsluokkalainen ilmoitti, ettei ollut koskaan käyttänyt alkoholia.

Sittemmin täysin raittiiden osuus on moninkertaistunut, ilmenee vuoteen 2015 ulottuneesta eurooppalaisesta, nuorten päihteidenkäyttöä käsittelevästä Espad-tutkimuksesta.

Jopa muut eurooppalaiset jäävät jälkeen. Suomessa täysin raittiita 15–16-vuotiaista nuorista on joka neljäs, kun Euroopassa heitä on keskimäärin joka viides.

Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen THL:n erikoistutkija Kirsimarja Raitasalo kollegoineen on ­koettanut tunnistaa niitä nuoruuden muutoksia, jotka voisivat selittää humalan hiipumista.

Ratkaisevaa näyttää olleen ainakin se, että alaikäisten on yhä vaikeampi saada alkoholia. Nykynuoret kokevat sen selvästi hankalammaksi kuin aiemmat ikäpolvet.

Kauppojen omavalvonta on osaltaan tehonnut. Kassoilla kysytään kaikilta alle 30-vuotiaan näköisiltä papereita.

Vanhemmat ja muutkin aikuiset ovat tiukentaneet asenteitaan nuorten juomiseen.

”Tietoisuus alkoholin haitoista on ehkä lisääntynyt. On tullut paljon tutkimustietoa esimerkiksi siitä, miten alkoholi vaikuttaa nuorten aivojen kehitykseen”, Raitasalo pohtii.

Nuorten omakin maailma on muuttunut toisenlaiseksi. Älylaitteet, pelit ja sosiaalinen media kyllästävät arkea. Pussikaljoittelu joutuu kilpailemaan monen muun kiinnostavan ajanvietteen kanssa ja on ehkä osittain hävinnyt niille.

Juovuksissa olemisesta on ehkä tullut myös tyylirikko. Nuoret eivät enää näytä arvostavan kännissä örveltämistä.

Kysely

Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Neutroni
Seuraa 
Viestejä25796
Liittynyt16.3.2005

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Käyttäjä4809 kirjoitti: Eiköhän syy ole -90 luvulla alkaneen laman menetetyt työpaikat ja samalla supistettu koulutus, minkä seurauksena vuodestä -99 alkaen vanhemmilla ei enää ole ollut niin paljon rahaa annettavaksi nuorisolle. Sekä myös nuorisolle soveltuvien työpaikkojen vähentyminen ja samaan aikaan tapahtunut kohtuuton vuokrien nousu, vasinkin pääkaupunkiseudulla. En tiedä, mutta en usko rahaan. Esimerkiksi kilju, 10 % juoma joka maksaa joitain senttejä litralta, tuntuu olevan...
Lue kommentti
molaine
Seuraa 
Viestejä1189
Liittynyt3.8.2011

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

En kyllä usko, että rahalla on iso merkitys ja veikkaan, että käytettävissä olevat rahat on vain kasvaneet, jos verrataan vaikka omaan nuoruuteen. Ei viina suomessa ole niin kallista, etteikö köyhälläkin olisi varaa dokailla. Oma junnu ei läträä lainkaan viinan kanssa. Iso osa kavereistakaan ei, vaikka osa ilmeisesti jonkin verran lipittelee. Kyllä nuorten asenteet on mielestäni muuttuneet ihan selkeästi. Ehkä alkoholipolitiikka on toiminut? Kotoa ei meillä kyllä tällaista ole opittu...
Lue kommentti

Panterarosa: On selvää, että "Partitava kisaa kurupati-kuvaa" ei oikein aukene kehitysmaalaisille N1c- kalmukinperseille.