Tiede

Kaiken teoria on Graalin malja, joka selittäisi koko universumin – Riittääkö aika sen löytämiseen?

Jos kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuusteoria saataisiin toimimaan yhteen, fysiikka olisi valmis. Kosmologi Syksy Räsänen selittää, millainen kuilu niiden välillä ammottaa.

1980-luvulla oltiin aika varmoja, että peli alkaa olla selvä.

Fysiikan saralta ilmestyi runsaasti artikkeleita siitä, kuinka ihan pian syntyy teoria, josta voimme johtaa kaikki luonnonlait.

Puhutaan kaiken teoriasta, fysiikan Graalin maljasta. Siitä voisi johtaa kaiken aina pikku kvanteista yleiseen suhteellisuusteoriaan ilman ristiriitaisuuksia.

Fysiikan kyvyssä selittää maailmaa on nimittäin valtava aukko. Moni uskoo, että se on mahdollista täyttää, mutta ihmiskunta ei ehkä ehdi tehdä sitä ennen kuin aikamme loppuu.
Mainos (Teksti jatkuu alla)
Mainos päättyy

Helsingin yliopiston tutkija, kosmologi Syksy Räsänen havainnollistaa kaiken teorian ongelmaa nostamalla vasemman kätensä vasemmalle ylös ja oikean kätensä oikealle ylös.


Toisessa kädessä on kvantti­mekaniikka, toisessa yleinen suhteellisuus­teoria. Kaiken teoriassa on kysymys käsien välisen kuilun täyttämisestä.

”Näistä teorioista periaatteessa voi johtaa kaikki fysiikan asiat, mutta ne ovat erillään olevat kaksi teoriaa”, Räsänen sanoo.

Kvanttimekaniikka kuvaa asioita kaikkein pienimmässä mittakaavassa. Sitä tarvitaan esimerkiksi atomin luonteen ymmärtämiseen.

Yleinen suhteellisuusteoria taas kuvaa aika-avaruutta, gravitaatiota eli painovoimaa sekä maailmankaikkeutta kokonaisuutena.

 

Ongelma on vähän sama kuin riitelevällä avioparilla.

Ongelma ei ole vain siinä, että pieni ei sovi yhteen suuren kanssa. Tilanne on vähän sama kuin riitelevällä avioparilla: kumpikaan ei pysty ymmärtämään, mitä toinen sanoo.

Kvanttimekaniikka ei nimittäin ole niin sanottua klassista fysiikkaa, jota yleinen suhteellisuus­teoria on. Kvanttimekaniikan avulla ei ole mahdollista kuvata yleisen suhteellisuusteorian kuvaamaa aika-avaruutta.

Kysymys on pitkälti vuorovaikutuksista.

Vuorovaikutuksia ovat sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus, heikko vuorovaikutus ja gravitaatio.

Näistä gravitaatio on ongelmallinen, sillä se ei tule juttuun kvanttimekaniikan kanssa. Muut vuorovaikutukset ovat ikään kuin suljettuja kenttiä välittäjähiukkasineen. Niissä kvanttifysiikan säännöt toimivat.

”Gravitaatiossa välittäjä on aika-avaruus itse”, Räsänen sanoo ja havainnollistaa taas käsillään.

”Minun käteni aiheuttavat liikkuessaan pienen häiriön aika-avaruuteen, ja muut kappaleet reagoivat siihen muutokseen.”

Se on vuorovaikutusta, mutta gravitaation vuorovaikutusominaisuudet ovat ihan erilaisia kuin muissa vuorovaikutuksissa. Muissa vuorovaikutuksissa hiukkaset ovat välittäjiä. Gravitaatiota välittävää hiukkasta ei ole löydetty.

Toinen ongelma on se, että kvanttimekaniikka on lähtökohtaisesti epädeterminististä, toisin kuin klassinen fysiikka. Epädeterministinen tarkoittaa, että asiat eivät ole ennustettavissa.

 

Kvanttifysiikassa hiukkasten liikkeitä ei voida laskea varmasti.

Klassisessa fysiikassa – esimerkiksi suhteellisuusteoriassa tai Newtonin mekaniikassa – lähtökohta on, että jos tiedetään alkutilanne, voidaan ennustaa, mitä tapahtuu. Kappaleet liikkuvat fysiikan lakien mukaan.

Kvanttifysiikassa hiukkasten liikkeitä ei voida laskea varmasti. Niiden käyttäytymistä ennustetaan vain tietyllä todennäköisyydellä.

Koska teorioita ei ole onnistuttu yhdistämään, on ryhdytty kehittämään teorioita, jotka voisivat selittää asiaa.

Aika-avaruus voisi esimerkiksi koostua jonkinlaisista ”aika-avaruuden atomeista” tai hiukkasista, jotka välittävät gravitaatiovuorovaikutusta.

Näiden hiukkasten liikkeitä täytyisi – ehkä – yrittää kuvata kvanttimekaanisesti, jotta kvanttiteoria ja yleinen suhteellisuusteoria juttelisivat keskenään.

Ongelma on siinä, että jos aika-avaruus koostuisi tällaisista hiukkasista, ne olisivat niin pieniä, että niitä ei mitenkään voisi havaita kuviteltavissa olevilla laitteilla.

Samaan ongelmaan kytkeytyy säieteoria. Se on syy, miksi 1980-luvulla jo hierottiin käsiä ja arveltiin, että pian kaiken teoria on valmis. Säieteoria vaikutti niin lupaavalta.

Teorian idea on, että alkeishiukkaset ovat pienen pienten säikeiden värähtelyä.

”Ne olisivat luultavasti protoniin samassa suhteessa pieniä kuin protoni on pieni suhteessa maapalloon.”

Aika-avaruus koostuisi näistä säikeistä samaan tapaan kuin aine koostuu atomeista.

Säieteoriassa on kuitenkin iso mutta.

”Maailmankaikkeus, jota säieteoria kuvaa, on sellainen, jossa on kymmenen ulottuvuutta, jossa gravitaatio ei ole samanlaista kuin todellisuudessa ja jossa hiukkaset eivät ole samanlaisia kuin todellisuudessa.”

Säieteoriassa kysymys on siis puhtaasti teoreettisesta fysiikasta, jolle ei ole kyetty saamaan minkäänlaista kokeellista todistusta.

Jos rehellisiä ollaan, ei oikeasti edes tiedetä, miksi kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuusteoria ja gravitaatio eivät toimi yhteen. Edellä mainitut ajatukset aika-avaruuden atomeista ja säikeistä ovat vain eniten tutkittuja teorioita.

”Jos ongelman luonne tiedettäisiin, oltaisiin ratkaistu jo puolet ongelmasta. Nyt emme edes tiedä, mihin suuntaan pitäisi lähteä”, Räsänen sanoo.

Kaiken teoriaa ei siis syntynyt 1980-, 1990- eikä 2000-luvulla.

”Myöskään viime aikoina ei ole tapahtunut mitään edistystä, päinvastoin”, Räsänen sanoo.

 

Ajatella, että sitä heräisi aamulla ja lukisi Helsingin Sanomista, että kaiken teoria on valmis.

Toivoa kuitenkin on – niin kauan kuin on aikaa.

Räsäsen mukaan tieteelliset läpimurrot fysiikassa tapahtuvat karkeasti jakaen kahta tietä. Osuvasti juuri kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuusteoria ovat hyviä esimerkkejä näistä kahdesta tavasta.

Suhteellisuusteoria syntyi Albert Einsteinin ja hänen kollegoidensa pohdintojen tuloksena.

Einstein oli asiantuntija. Hän tunsi aiemmat teoriat hyvin, ja niistä soveltamalla ja johtamalla hän rakensi erinäisiä ilmiöitä selittävät ja ennustavat suppean ja yleisen suhteellisuusteorian kollegoidensa kanssa.

Tiukan teoretisoinnin ja aivotyön pohjalta teoria oli ikään kuin kerralla valmis, ja sitä voitiin alkaa testata. Teorian synnyllä ei ollut juurikaan tekemistä kokeiden kanssa.

Toisessa päässä taas mennään kokeet edellä. Pääosin tällä tavalla ovat syntyneet kvanttimekaniikan teoriat.

”Pohjalla on teoria. Sitten törmäytetään vaikka hiukkasia, ja tapahtuukin jotain odottamatonta. Sitten aletaan tutkia, mistä se odottamaton reaktio johtui, kehitetään teoriaa, tutkitaan taas törmäyttämällä ja niin edespäin”, Räsänen kuvailee.

Ajatella, että sitä heräisi aamulla ja lukisi Helsingin Sanomista, että kaiken teoria on valmis. Mikä muuttuisi?

Räsänen vertaa saavutusta yleiseen suhteellisuusteoriaan ja kvanttimekaniikkaan. Ensimmäinen mullisti käsityksemme universumista, sen historiasta ja tulevaisuudesta. Se osoitti esimerkiksi, että maailmankaikkeus laajenee ja ettei se ole ikuinen.

Kvanttimekaniikka taas on osoittanut, että maailma on lopulta epädeterministinen eikä sitä voi ennustaa pienimmällä tasolla – hyvin perustavanlaatuinen oivallus tämäkin.

”Ne auttavat meitä ymmärtämään maailmankaikkeutta ja sen luonnetta. Jos kaiken teoria keksittäisiin, se todennäköisesti mullistaisi käsityksemme maailmankaikkeudesta.”

Toinen seuraus olisivat teknologiset sovellukset. Kaiken teorialle ei voi luvata mitään suoria sovelluksia, mutta uudenlaisessa maailmanselityksessä on aina mahdollisuuksia vaikka mihin.

”Aikoinaan olisi voitu sanoa, mitä väliä sillä on, että tiedetään aineen koostuvan atomeista. Sen ymmärtäminen kuitenkin avasi oven kvanttimekaniikkaan, johon kaikki nykyaikainen teknologia perustuu tietokoneista satelliitteihin.”

Puhumattakaan ydinfysiikasta: meillä ei olisi ydinvoimaa, jos emme tietäisi, että aine koostuu atomeista.

 

”Kysymys on siitä, kauanko ihmiskunnalla on teknologista sivilisaatiota jäljellä.”

Jotkin keksinnöt – kuten ydinfysiikka – saattavat olla myös estämässä sitä, että löytäisimme kaiken teorian.

”Kysymys on siitä, kauanko ihmiskunnalla on teknologista sivilisaatiota jäljellä. Joukkotuhoaseiden ja katastrofaalisen ilmastonmuutoksen vuoksi ei ole selvää, miten kauan tieteellinen ja teknologinen kehitys jatkuvat, ennen kuin mennään alaspäin.”

Tarvitaan merkittäviä poliittisia päätöksiä, jotta ihmiskunnan tulevaisuus olisi turvattu, Räsänen sanoo.

Hänen mukaansa harva fyysikko ajattelee, että olisi alueita, joita kuvaavia teorioita ei periaatteessakaan saa sovitettua yhteen.

Kaiken teoria voi siis olla löydettävissä, ja niin kauan kuin on aikaa, on toivoa.


    Seuraa uutisia tästä aiheesta

  • Fysiikka
  • Tiede
  • Jose Riikonen

Kommentit

    Ei vielä kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Näytä lisää
    Luetuimmat
    • Juuri nyt
    • Päivä
    • Viikko
    1. 1

      Aftonbladet: Kaksi otettiin kiinni epäiltyinä joukkoraiskauksesta Tukholman keskustassa

    2. 2

      Sdp oli DDR:n vakoilijoiden ”pääyhteistyö­kumppani” Suomessa, väittää Suojelupoliisin pitkäaikainen päällikkö Seppo Tiitinen

    3. 3

      ”Ihmisroskana” esitetty asunnoton alkoholisti Markku Korhonen ahdistui ja suuttui niin, että teki rikos­ilmoituksen – entinen yrittäjä auttoi pitkään muita, mutta päätyi itse sillan alle

    4. 4

      Rakkaus hiipui muttei kuollut – Näin elvytät väljähtäneen parisuhteen ja rakastut kumppaniisi uudelleen

      Tilaajille
    5. 5

      Teinityttöjen jengi terrorisoi muita nuoria Espoon kauppakeskuksissa – 13-vuotiaan tytön hiukset sytytettiin tuleen, sivustaseuraajat hurrasivat päähän osuneelle potkulle

    6. 6

      Stormy Danielsin kirja kertoo uhkauksista ja seksistä Trumpin kanssa

    7. 7

      Joku tyri pahasti Syyrian ilma­tilassa ja ajoi Israelin ja Venäjän törmäys­kurssille

    8. 8

      Rihanna lähetti Juha Sipilälle Suomen lipulla ja kiitos-sanalla höystetyn Twitter-viestin – ja vaati Suomelta lisää rahaa kehitysmaiden koulutuksen tukemiseen

    9. 9

      ”Ihmisroska”-termiin yhdistetyn Markku Korhosen katkaisuhoito onnistui, kunnes paluujuna saapui Oulun rautatieasemalle

    10. 10

      Orpo myönsi, että käytettävissä olevat tulot alenevat kolmas­osalla suomalaisista – Heinäluoma riemastui myönnytyksestä

    11. Näytä lisää
    1. 1

      ”Ihmisroskana” esitetty asunnoton alkoholisti Markku Korhonen ahdistui ja suuttui niin, että teki rikos­ilmoituksen – entinen yrittäjä auttoi pitkään muita, mutta päätyi itse sillan alle

    2. 2

      Emilia Machucan auto hyytyi liikennevaloihin Espoon Olarissa – Muista autoista mulkoiltiin aggressiivisesti, mutta sitten paikalle kaarsi tyttö mopoautolla

    3. 3

      Teinityttöjen jengi terrorisoi muita nuoria Espoon kauppakeskuksissa – 13-vuotiaan tytön hiukset sytytettiin tuleen, sivustaseuraajat hurrasivat päähän osuneelle potkulle

    4. 4

      Rakkaus hiipui muttei kuollut – Näin elvytät väljähtäneen parisuhteen ja rakastut kumppaniisi uudelleen

      Tilaajille
    5. 5

      Kuka tämän suunnitteli? Arvotalon umpiseinään on puhkaistu yksinäinen ikkuna, taustalla ”jännittävä ja traaginen” tarina

    6. 6

      Pikkupojan hampaat reikiintyivät ikenen tasolle – äiti tuomittiin ehdolliseen vankeuteen lapsensa hammashoidon laiminlyönnistä

    7. 7

      Jos seksin määrästä tulee suhteessa riitaa, kannattaa katsoa, ovatko muut asiat kunnossa

    8. 8

      Orpo myönsi, että käytettävissä olevat tulot alenevat kolmas­osalla suomalaisista – Heinäluoma riemastui myönnytyksestä

    9. 9

      Kammottava näky odotti Rautatientorin käymälässä: Ulostetta, huumeneuloja ja verisiä papereita pitkin poikin

    10. 10

      Syyrian ilmapuolustus ampui alas venäläisen tiedustelukoneen, Putinin mukaan kyse oli onnettomasta tapahtumaketjusta

    11. Näytä lisää
    1. 1

      ”Ihmisroskana” esitetty asunnoton alkoholisti Markku Korhonen ahdistui ja suuttui niin, että teki rikos­ilmoituksen – entinen yrittäjä auttoi pitkään muita, mutta päätyi itse sillan alle

    2. 2

      Auschwitziin matkanneet Kallion lukiolaiset kokivat Suomi-häpeää krakovalaisessa juutalaisravintolassa: ”Minun oli pakko mennä kysymään heiltä, että ymmärrättekö te yhtään, mitä teette”

    3. 3

      Mies havahtui hetkeksi hereille vesipuisto Serenassa, mutta jatkoi juhlintaa vielä viikon ympäri Etelä-Suomea – Lopulta mies tajusi rahoittaneensa 10–15 hengen elostelua 12 000 eurolla

    4. 4

      Tytti Peltosen palkka on niin pieni, että se on käytetty kaksi viikkoa ennen tilipäivää – Suomessa on kymmeniätuhansia työssäkäyviä köyhiä

      Tilaajille
    5. 5

      Virpi oli luokan priimus ja lääkäriperheen kultahippu – Hänestä tuli kirurgi, joka leikkasi potilaita lääkehuuruissa ja joutui lopulta vankilaan

      Tilaajille
    6. 6

      Helsinkiläisnaisen auto saarrettiin traktorilla Nuuksiossa – ”Espoon sumputtaja” Lucas Heimsch perheineen kertoo nyt, mikä kaupunkilaisten käytöksessä mättää

    7. 7

      Espoolainen oppilas kuoli saatuaan sairaus­kohtauksen liikunta­tunnilla, jolla tehtiin piip-testiä – Testistä on annettu tarkat ohjeet kouluille, sanoo sivistys­toimen johtaja

    8. 8

      Serena Williams -pilapiirroksesta rasismisyytöksiä saanut lehti iskee takaisin kansikuvallaan: ”Tervetuloa poliittisesti korrektiin maailmaan”

    9. 9

      ”Ihmiset eivät osaa nukkua, ovat superkireitä ja yli- tai alipainoisia”, sanoo joogaopettaja, joka uupui itsekin – Sitten hän löysi ratkaisun ja näyttää nyt kolme helppoa palauttavaa liikettä

    10. 10

      Kohufinaalin voittanut Naomi Osaka paljasti, mitä Serena Williams sanoi hänelle yleisön buuausten aikana

    11. Näytä lisää