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.
Mainos (Teksti jatkuu alla)
Mainos päättyy

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.

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.
Mainos (Teksti jatkuu alla)
Mainos päättyy

”Näistä teorioista periaatteessa voi johtaa kaikki fysiikan asiat, mutta ne ovat erillään olevat kaksi teoriaa”, Räsänen sanoo.
Mainos (Teksti jatkuu alla)
Mainos päättyy

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.
Mainos (Teksti jatkuu alla)
Mainos päättyy
Mainos (Teksti jatkuu alla)
Mainos päättyy

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

      Käänne asuntomarkkinoilla: Asunnon myyjä ei enää saa välttämättä edes omiaan pois – ”Jos jotain, niin tähän ei kannata lapsen lailla uskoa”

    2. 2

      Kun kumppani tulee raskaan työpäivän jälkeen kotiin ja räjähtää, häntä kannattaa lähestyä tunteella

    3. 3

      Huippuyliopiston tutkimus selvitti, mikä on paras tapa pitää paino kurissa laihduttamisen jälkeen – vähähiilihydraattinen tulos aiheutti heti kohun

      Tilaajille
    4. 4

      Jätesäiliö puristi miehen kuoliaaksi alakoulun hississä – Varoitustarrojen tultua vakavat turmat lähes katosivat, nyt viranomainen harkitsee muistuttavansa vaarasta

    5. 5

      Suomalainen kehitti 44 vuotta sitten tekniikan, jota ilman elektroniikan pieneneminen ei olisi ollut mahdollista – Vihdoin myös voittoja päätyy Suomeen

    6. 6

      Olli Kopra, 26, rakastaa vieterilelujaan, mutta kynsien leikkaamisesta hän ei pidä – Vanhempien mielestä tässä on ongelma: kehitysvammaisella pojalla on liikaa oikeuksia

      Tilaajille
    7. 7

      Pörssin kurimus jatkui Yhdysvalloissa – ”Kauhean vuoden huonoin päivä”

    8. 8

      Tapiolan hiljainen sankariteko: Puutarhurit pelastivat puutarhakaupunginosan symboleiksi nousseet 200-vuotiaat männyt länsimetron myllerrykseltä

    9. 9

      Sipoon kunta sai tarpeekseen Sipoon­rannan ongelmista: Osa alueesta palautumassa kunnalle joutomaana

    10. 10

      Ivanka Trump käytti omaa sähköpostiaan hallinnon asioiden hoitamiseen – presidentti-isän mukaan asiaa ei voi mitenkään verrata Hillary Clintoniin

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Hissin kaapeli katkesi chicagolaisessa pilvenpiirtäjässä ja matkustajat syöksyivät 84 kerrosta alaspäin – selvisivät säikähdyksellä

    2. 2

      Valtava huumetakavarikko Helsingissä – Poliisi pääsi kansainvälisen liigan jäljille, kun iso hormonilähetys meni vahingossa väärään osoitteeseen

    3. 3

      Asiantuntijat pelkäävät, että kauppa­keskus Redi on väärässä paikassa – HS pyysi arvioita, miten Kalasataman kauppa­keskus selviäisi alku­vaikeuksistaan

      Tilaajille
    4. 4

      Kun kumppani tulee raskaan työpäivän jälkeen kotiin ja räjähtää, häntä kannattaa lähestyä tunteella

    5. 5

      Kylmähermoinen asiakas sekoitti ryöstäjän suunnitelmat – Naamiomies jäi kiinni verekseltään Keravalla

    6. 6

      Sipoon kunta sai tarpeekseen Sipoon­rannan ongelmista: Osa alueesta palautumassa kunnalle joutomaana

    7. 7

      Teknologia­jättien pörssi­syöksy syvenee – Mistä Googlen, Facebookin ja kumppanien ala­mäessä on kyse?

    8. 8

      Hissionnettomuus Helsingissä: Mies puristui hengiltä Porvoon­kadulla

    9. 9

      Ex-gangsteri ammuttiin Kööpenhaminassa, kun hän poistui elämä­kertansa julkaisu­tilaisuudesta

    10. 10

      Asemiehet tunkeutuivat toimistoon Mannerheimintiellä ja vaativat yrittäjältä 20 000 euroa – Uhri ja poliisi järjestivät väijytyksen, rikolliset saatiin tuomiolle

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Tutkimus paljastaa: Koulujen uudet menetelmät heikentävät oppimista merkittävästi

    2. 2

      Puurokattila liedellä kertoi, että asunnosta oli lähdetty vauhdilla – Sina Varheen tytär katosi, ja seuraavien kuukausien jäljet seuraavat äitiä läpi elämän

      Tilaajille
    3. 3

      Paniikkia, konkurssien pelkoa ja lähtöaikeita – Kauppakeskus Redin asiakaskato ajaa yrittäjiä ahdinkoon

    4. 4

      Tällainen on Suomi: Kun Trump kertoi uskomattoman väitteen Pohjolan metsänhoidosta, suomalaiset lähtivät metsään haravoimaan ja imuroimaan

    5. 5

      Täti innostui sukututkimuksesta, ja niin Leenakin teki dna-testin – Kun tulokset tulivat, eletty elämä osoittautui valheeksi

      Tilaajille
    6. 6

      Kuvia Suomesta, osa 39: Rio Gandara kuvasi, mitä tekevät ihmiset, jotka eivät saa öisin unta

    7. 7

      Kun nuoret äidit haksahtavat ravitsemusgurujen hölynpölyyn, kärsijöitä ovat lapset – Näin sanoo ravitsemusterapeutti Reijo Laatikainen ja oikoo verkon vallanneita harhaluuloja yksi kerrallaan

      Tilaajille
    8. 8

      Euroopassa raivoaa sota, jonka keskellä ihmiset käyvät oopperassa ja asuvat bunkkereissa – HS:n erikoisartikkeli vie Itä-Ukrainan sodan molemmille puolille

    9. 9

      Peltipoliisin ylinopeus­sakoista luistaminen voi johtaa etsintä­kuulutukseen: Malmin poliisi­taloon saapuneesta naisesta ei tullut yhtä 1 800 etsintä­kuulutetusta – hän löi poliisit ällikällä

    10. 10

      Uni oli pelottava, ja siinä kuusivuotias Patrick Tiainen rakasti poikaa – Tiainen nousi karismaattisen seurakunnan johtoon, uskoi Jumalan eheyttävän hänet ja myönsi lopulta, että uni oli totta

      Tilaajille
    11. Näytä lisää
    Uusimmat
    1. Juuri nyt
    2. Jätesäiliö puristi miehen kuoliaaksi alakoulun hississä – Varoitustarrojen tultua vakavat turmat lähes katosivat, nyt viranomainen harkitsee muistuttavansa vaarasta
    3. Suomalainen kehitti 44 vuotta sitten tekniikan, jota ilman elektroniikan pieneneminen ei olisi ollut mahdollista – Vihdoin myös voittoja päätyy Suomeen
    4. Tunti sitten
    5. Pallo verkkoon kantapäällä yli maalivahdin – Englannin nuorelta tähdeltä taiturimainen viimeistely
    6. Tapiolan hiljainen sankariteko: Puutarhurit pelastivat puutarhakaupunginosan symboleiksi nousseet 200-vuotiaat männyt länsimetron myllerrykseltä
    7. Käänne asuntomarkkinoilla: Asunnon myyjä ei enää saa välttämättä edes omiaan pois – ”Jos jotain, niin tähän ei kannata lapsen lailla uskoa”
    8. Interpol valitsi eteläkorealaisen johtajan – ennakkosuosikkina kisaan lähtenyt venäläiskenraali jäi rannalle
    9. Pian aukeavassa Oodissa palautuksista huolehtivat robotit, jotka väistelevät asiakkaita, ajavat itse hissillä ja pian ehkä hyllyttävätkin kirjat
    10. Miksei koulu voisi olla se ainoa digivapaa vyöhyke lasten elämässä?
    11. Suomen urheilussa on poikkeuksellinen tilanne – kolme keskeistä johtajaa tulee OP-ryhmästä ja neljännen valintakin oli lähellä
    12. Löytääkö uusi Mars-laskeutuja vastauksia? Ensi viikolla Marsiin saapuvalla InSightilla on yksi edeltäjistään poikkeava ominaisuus, ja näin se toimii Tilaajille
    13. Näytä lisää