Mitä tiedämme maailmankaikkeudesta

Fysiikassa halutaan selvittää miten maailmankaikkeus käyttäytyy. Tämä on luonnollisesti melko haastava tehtävä, mutta meillä on onneksi käytössämme muutamia yksinkertaistuksia, jotka helpottavat hommaa huomattavasti.

Yksi tapa on kuvata uskomattoman suuresta atomimäärästä koostuvaa monimutkaista kokonaisuutta (kuten planeettaamme Maata) tutkittavan ilmiön kannalta oleellisilla suureilla (kuten Maan massa ja säde). Silloin kun hienorakenne ei vaikuta merkittävästi lopputulokseen (esimerkiksi Maan rataa laskettaessa), se voidaan hetkeksi unohtaa.

Toinen tapa on jakaa suuria kappaleita niiden yhteisiin rakenneosasiin ja kuvailla aineen (esimerkiksi vesi) ominaisuuksia näiden rakenneosasten (esimimerkiksi vesimolekyylit) ominaisuuksien avulla. On olemassa valtavasti ilmiöitä, joita olisi todella vaikea ymmärtää ilman tämänkaltaista reduktionismia.

Samalla reduktionismi avaa oven tietynlaiselle materialismille tai fysikalismille, joka on tyypillinen (joskaan ei universaali) fysiikan tarjoaman maailmankuvan lähtökohta: Havaitsemamme maailmankaikkeus koostuu sellaisista elementeistä, jotka (ainakin periaattessa) voidaan havaita. Tällaiset elementit ovat (ainakin periaatteessa) fysiikan tutkittavissa, joten koko maailmankaikkeus ja sen ilmiöt ovat fysiikan tutkimuskenttää.

Onko maailmankaikkeudessa elementtejä, joilla ei ole fysikaalista vastinetta? Tällaisiin kysymyksiin emme tietenkään voi vastata havaintoihin perustuvassa luonnontieteessä, sillä jos tällaisia elementtejä on, ei niitä voi tutkia fysiikan keinoin. Tämänkaltaiset metafysiikan kysymykset ovat kuitenkin tärkeitä luonnontieteissä, ja aivan erityisesti fysiikassa, sillä ne voivat ohjata ja selventää sitä, mitä kannattaa tutkia ja mitä ylipäänsä voidaan tutkia.

Nykyisin voidaan sanoa, että fysiikan avulla osataan selittää erittäin hyvin (joissain tapauksissa lähes täydellisesti) sekä näkyvässä maailmankaikkeudessa olevan näkyvän aineen makroskooppisten (hiekanjyvää suurempien) kappaleiden että mikroskooppisten asioiden (kuten atomien tai alkeishiukkasten) liikkeet ja ominaisuudet. Makro- ja mikromaailman kuvailuun käytetyt mallit ovat kuitenkin niin erilaisia keskenään, että ne kannattaa käsitellä erikseen.

Tämän "tunnetun fysiikan" ulkopuolelle jäävät ne maailmankaikkeuden osat, joita emme voi havaita sekä sellaiset energiamuodot, jotka eivät heijasta valoa (niitä kutsutaan pimeiksi). Pimeä energia ja pimeä aine näyttäisivät vuorovaikuttavan vain gravitaation kautta ja ovat siksi vaikeita tutkia. Avoimia kysymyksiä on toki muitakin, mutta pääpiirteissään voimme väittää ymmärtävämme maailmankaikkeuden rakenteita jopa merkillisen hyvin (ottaen huomioon kuinka yksinkertaista porukkaa itse olemme). Aloitamme erilaisten vuorovaikutusten kuvailulla, siirrymme siitä mikromaailmaan ja lopulta makromaailman kautta pimeään energiaan.

Perusvuorovaikutukset

Millä tavoin eri kappaleet vaikuttavat toisiin kappaleisiin? Oli kyse sitten atomeista, omenoista tai galakseista, nykytiedon mukaan erilaisia vuorovaikuttamisen tapoja on vain neljä. Tämä tuntuu monimutkaisessa maailmassa yllättävän pieneltä määrältä, mutta täytyy muistaa, että nämä neljä perusvuorovaikutusta voivat ilmetä useilla eri tavoilla.

Luonnon perusvuorovaikutukset

1. Gravitaatiovuorovaikutus

2. Sähkömagneettinen vuorovaikutus

3. Vahva vuorovaikutus

4. Heikko vuorovaikutus

Kaksi näistä neljästä on meille arkielämästä tuttuja: gravitaatio ja sähkömagneettinen vuorovaikutus. Gravitaatio selittää miksi massiivisen kappaleet vetävät toisiaan puoleensa, eli miksi kynä putoaa lattialle, kun siitä päästää irti tai miksi Maa kiertää Aurinkoa.

Tietyssä mielessä Maa putoaa Aurinkoa kohden (ja toisinpäin).

Arkielämän ilmiöissä voikin sanoa, että kaikki mikä ei ole gravitaatiota, on sähkömagnetismia. Sähkömagnetismi selittää sekä sähköiset ilmiöt, että magneettiset ilmiöt: kompassien ja salamoiden toimintaperiaate on siis samaa alkuperää. Sähkölaitteiden virtapiirit perustuvat sähkömagnetismiin, mutta niin perustuvat myös aineiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet samoin kuin valo ja sitä kautta esimerkiksi näkeminen.

Kaksi muuta perusvuorovaikutusta ovat vaikeammin havaittavissa ja ne on siksi löydetty myöhemmin. Ajatellaanpa vaikka heliumatomia, jossa kaksi elektronia kiertää ydintä, jossa on kaksi protonia. Voidaan sanoa, että elektronit pysyvät positiivisesti varatun ytimen ympärillä, koska erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Miten sitten on mahdollista, että ytimen kaksi protonia pysyvät tiiviisti yhdessä vaikka hylkivätkin toisiaan?

Olisiko niin, että on olemassa joku hylkivää sähkömagneettista vuorovaikutusta voimakkaampi vuorovuorovaikutus, joka pitää protonit atomin ytimessä? Tälle vuovovaikutukselle onkin annettu mielikuvituksellinen nimi vahva vuorovaikutus, johon liittyy vahva ydinvoima. Vahva vuorovaikutus "liimaa" protoneja ja neutroneja toisiinsa ja toisin kuin gravitaatio tai sähkömagnetismi, vaikuttaa vain erittäin lyhyillä etäisyyksillä. Sitä on siksi vaikeampi havaita (ja tutkia), sillä ensin pitää jotenkin päästä atomin ytimeen käsiksi.

Raskaiden alkuaineiden radioaktiivista hajoamista ei kyetä selittämään jo mainituilla kolmella perusvuorovaikutuksella, vaan tarvitaan vielä neljäs. Tämäkin vaikuttaa atomien ytimissä lyhyen kantaman vuorovaikutuksena ja on voimakkuudeltaan heikompi kuin vahva vuorovaikutus. Sen helposti muistettava nimi onkin heikko vuorovaikutus (joka aiheuttaa heikon ydinvoiman).

On toki mahdollista, että perusvuorovaikutuksia on enemmänkin, mutta vain neljä on meille tuttuja. Lisäksi tiedetään, että varhaisessa maailmankaikkeudessa ainakin osa näistä ovat olleet osa samaa vuorovaikutusta, joka on sittemmin jakautunut maailmankaikkeuden viiletessä.

Perusvuorovaikutusten teoriat

Neljän perusvuorovaikutuksen välillä on tiettyjä eroja, mutta niissä näyttäisi olevan myös paljon yhteistä. Esimerkiksi sähkömagneettinen vuorovaikutus kahden erimerkkisen varatun kappaleen välillä on samanlainen vetävä vuorovaikutus kuin kahden massiivisen kappaleen välillä vaikuttava gravitaatio.

Toisaalta taas esimerkiksi protonin ja elektronin välisiä vuorovaikutuksia vertailtaessa huomataan, että sähkömagneettinen vuorovaikutus on gravitaatiovuorovaikutusta noin 1035 kertaa voimakkaampi. Sähkömagneettinen vuorovaikutus vaikuttaa kaikkien varattujen kappaleiden välillä ja voi olla luonteeltaan joko vetävä tai hylkivä, kun taas gravitaatio vaikuttaa kaikkien massiivisten kappaleiden välillä aina vetävästi.

Nykyfysiikassa kaikkia neljää vuorovaikutusta kuvataan kenttien avulla: meillä on siis gravitaatiokenttä, sähkömagneettinen kenttä sekä heikon ja vahvan vuorovaikutuksen kentät. Yksinkertaistettuna nämä vuorovaikutuksiin liittyvät kentät ovat olemassa kaikkialla ja kaikki havaitsemamme ilmiöt ovat pohjimmiltaan näiden kenttien keskinäisiä vuorovaikutuksia.

Tässä moduulissa ei ole tarkoitus syventyä kenttäteorian yksityiskohtiin, vaan tavoitteena on tuoda esiin monimutkaiselta vaikuttavan fysiikan perimmäinen yksinkertaisuus. Kaikki fysiikan ilmiöt ovat viime kädessä seurausta neljän kentän ominaisuuksista ja keskinäisistä vuorovaikutuksista. Usein puhutaan suoraan kentistä ja niiden ominaisuuksista, toisinaan taas hiukkasista, jotka ovat näiden kenttien värähtelyjä.

Miksi sitten esimerkiksi Maan ja Kuun välinen vetovoima on peräisin gravitaatiosta, eikä huomattavasti voimakkaammasta sähkömagnetismista?

Hiukkaset kenttien värähtelyinä

Havaitsemamme valo on sähkömagneettisen kentän värähtelyjä, joita kuvataan fysiikassa kahdella eri tavalla. Klassinen kuvaus mallintaa värähtelyjä kuten vesiaaltoja ja valon ominaisuudet ovat siinä samankaltaisia kuin vesiaaltojen ominaisuudet. Valon kvanttikuvauksessa valoa käsitellään hiukkasina - valohiukkanen fotoni on siis kvanttimallista löytyvä sähkömagneettisen kentän värähdys. Klassisessa mallissa näkemisen mahdollistavat valoaallot, kvanttimallissa valohiukkaset

Sama pätee muillekin kentille: klassisessa mallissa kentän värähtelyt muistuttavat tavallisia vesiaaltoja, kun taas kvanttimallissa puhutaan useimmiten hiukkasista, jotka ovat kvanttikenttien erilaisia värähtelyjä. Mallit eivät ole toisiaan poissulkevia, vaan kvanttimallia kannattaa ajatella tarkempana kuvauksena samasta ilmiöstä. Klassinen malli saadaan kvanttimallista ”huonontamalla resoluutiota”, jolloin kvantti-ilmiöt ”keskiarvoistuvat” pois. Esimerkiksi klassista valoaaltoa voi ajatella niin suurena määränä fotoneita, että kaukaa katsottuna yksittäisiä hiukkasia ei erota - samaan tapaan kuin vesiaallossa et paljaalla silmällä erota yksittäisiä vesimolekyylejä.

Klassinen kuvaus on olemassa jokaiselle vuorovaikutukselle. Kvanttikuvaus onnistuu sähkömagneettiselle sekä heikolle ja vahvalle vuorovaikutukselle, mutta gravitaatio jää ulkopuolelle. Tämä tarkoittaa, että kaikkia neljää vuorovaikutusta ei osata käsitellä samalla tavoin. Yksi fysiikan avoimista kysymyksistä onkin löytää gravitaatiolle toimiva kvanttiteoria, jolloin kaikki neljä vuorovaikutusta osattaisiin kuvata saman järjestelmän sisällä.

Sähkömagneettinen kenttä sekä heikon ja vahvan vuorovaikutuksen kenttien kirjoittaminen kvanttimuodossa on mahdollistanut näiden kolmen yhdistämisen yhteen pakettiin hiukkasfysiikan standardimallissa, jota käsitellään kohta tarkemmin. Fysiikan erilaiset perushiukkaset (esimerkiksi elektronit) ovat siis perusvuorovaikutuksia kuvaavien kvanttikenttien värähtelyjä ja niiden väliset vuorovaikutukset ovat näiden keskenään vuorovaikuttavien kenttien ilmentymiä. Tilanteesta riippuen voidaan puhua joko kentistä tai hiukkasista (tai molemmista), ne ovat saman kokonaisuuden kaksi erilaista kuvausta.

Vielä 1800-luvulla vallinnut kuvaus hiukkasista pieninä törmäilevinä biljardipalloina ei siis vastaa nykykäsitystä. Tällaistakin kuvausta voidaan kuitenkin hyvin käyttää silloin, kun hiukkasten hienorakenne ei vaikuta tarkasteltavaan ilmiöön.

Katso yksinkertainen videosarja gravitaation visualisoinnista:

Paras teoria gravitaatiosta on Einsteinin vuonna 1915 julkaisema yleinen suhteellisuusteoria. Se poikkeaa muiden vuorovaikutusten kuvailusta siinä, että muut vuorovaikutukset tapahtuvat (aika-)avaruudessa, mutta gravitaatiovuorovaikutus ja aika-avaruus ovat oikeastaan yksi ja sama asia. Emme mene sen syvemmälle tässä moduulissa, mutta suhteellisuusteorian perusidea on yksinkertainen: gravitaatiokenttä ei kuvaa kahden kappaleen välillä vaikuttavaa voimaa vaan niiden välisen avaruuden kaarevuutta. Esimerkiksi Maa ei kierrä Aurinkoa siksi, että niiden välillä olisi jokin vetävä voima, vaan siksi, että avaruus Auringon lähistössä on kaareutunut siten, että lyhin reitti radan äärikohdasta toiseen ei kulje radan keskipisteen kautta vaan puoliympyrää Auringon ympäri.

Tarkemmin sanottuna suhteellisuusteoria kuvaa aika-avaruuden kaarevuutta. Paikka-avaruuden kaarevuus vaikuttaa kahden pisteen väliseen etäisyyteen. Aika-avaruudessa kaarevuus vaikuttaa myös kahden ajanhetken väliseen kestoon.

Gravitaatioaallot

Gravitaatiokentän mahdollisia "kvanttihiukkasia" ei siis tunneta, mutta sen klassisia värähtelyjä on onnistuttu mittaamaan. Näiden gravitaatioaaltojen merkityksen ymmärtää parhaiten vertaamalla niitä valoon.

Valo on sähkömagneettisen kentän värähtelyä, jonka avulla pystymme näkemään asioita. Jos näkökykymme olisi tarkempi, voisimme nähdä myös infrapuna- tai UV-valoa ja saisimme ympäröivästä maailmasta enemmän tietoa. Myös gravitaatiokenttä värähtelee, joten jos meillä olisi riittävän hyvä instrumentti näiden värähtelyn lukemiseen, "näkisimme" maailmankaikkeuden aivan uudella tavalla. Tämän gravitaatiosäteilyn avulla saisimme paljon sellaista tietoa maailmankaikkeuden rakenteesta mitä emme sähkömagneettisen säteilyn avulla saa. Voisimme esimerkiksi nähdä pimeän aineen, joka ei heijasta sähkömagneettisia aaltoja, mutta heijastaa gravitaatioaaltoja.

Tämän uuden näkökulman mahdollistamisen lisäksi vuoden 2015 gravitaatioaaltomittaus on hieno tarina siitä, kuinka uskomattomia asioita pystymme nykyisin mittaamaan:

Miljardi vuotta on niin pitkä aika, että sitä on vaikea hahmottaa. Ehkä jotain perspektiiviä antaa se, että noin miljardi vuotta sitten ensimmäiset kasvisoluista koostuvat organismit ovat alkaneet elää maan pinnalla. Ne nousivat mantereille, jotka olivat tyystin erilaiset kuin nykyiset: noin 175 miljoona vuotta sitten nykyisiksi mantereiksi hajonnut yhtenäismanner ei ollut tuolloin vielä edes muodostunut.

Samoihin aikoihin noin miljardin valovuoden päässä tapahtui kahden mustan aukon törmäys, jossa vapautui energiaa teholla, joka oli suurempi kuin koko näkyvän maailmankaikkeuden tähtien yhteenlaskettu teho. Osa tästä energiasta säteili pois gravitaatiokentän värähtelynä, eli gravitaatioaaltoina. Kuten vesiaallot, tälläinen yhdestä paikasta lähtevä värähdys vaimenee edetessään, sillä se levittäytyy yhä suuremmalle ja suuremmalle alueelle. Silti, yli miljardi vuotta myöhemmin syyskuun 14. päivä 2015, tämä gravitaatiokentän värähdys havaittiin Maan pinnalla LIGO-observatoriossa. Kuljettuaan meille asti miljardin vuoden ajan havaittu signaali kesti noin noin 0,2 sekuntia.

Värähdys on taajuudeltaan sellainen, että käyttämällä riittävän hyvää vahvistinta sen voisi kuulla:

Alkeishiukkasten maailma

Tunnetut neljä perusvuorovaikutusta jakautuvat nykyfysiikan teorioissa siis kahteen osaan:

1. Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa gravitaatiovuorovaikutusta.

2. Hiukkasfysiikan standardimalli kuvaa sähkömagneettista sekä heikkoa ja vahvaa vuorovaikutusta.

Hiukkasfysiikkaan palataan tarkemmin moduulissa FY8, mutta katsotaan jo tässä kohtaa hieman atomin sisälle hahmottaaksemme luonnon rakennuspalikoita ja niiden kokoluokkia.

Näihin kahteen teoriaan mahtuvat kaikki muut havaitut rakenneosat paitsi pimeä aine (jonka koostumusta ei tunneta)

Meille ennestään tuttua on, että kaikki havaitsemamme aine koostuu atomeista. Atomit puolestaan koostuvat positiivisesti varatusta ytimestä ja ydintä ympäröivistä elektroneista. Ytimen rakennnuspalikat ovat protoni ja neutroni, joita kutsutaan yhdessä nukleoneiksi (eli ydinhiukkasiksi). Atomit ovat kooltaan noin 10⁻¹⁰ m ja niiden huomattavasti pienemmät ytimet noin 10⁻¹⁴ m.

Olemme onnistuneet tutkimaan myös protonien ja neutronien hienorakennetta, joskin tähän tarvittavat korkeat energiat tekevät tuloksista hieman monimutkaisempia. Voidaan kuitenkin sanoa protonien ja neutronien koostuvan kvarkeista, joiden kokoluokka on noin 10⁻¹⁸ m. Meille tuttu aine voidaan siis lopulta jakaa kvarkkeihin ja elektroneihin. Myöhemmin on löydetty vielä heikkoon vuorovaikutukseen liittyvä, lähes massaton, sähköisesti neutraali hiukkanen neutriino (eli pikku-neutroni).

Kvarkit liittyvät vahvaan vuorovaikutukseen. Elektronit ja neutriinot puolestaan liittyvät sähkömagneettiseen ja heikkoon vuorovaikutukseen ja niitä kutsutaan yhdessä leptoneiksi. Aineen voidaan siis sanoa koostuvan kvarkeista ja leptoneista, joita kutsutaankin toisinaan ainehiukkasiksi eli fermioneiksi.

Ainehiukkasten lisäksi jokaisella perusvuorovaikutuksella on oma vuorovaikutusta välittävä välittäjähiukkanen. Esimerkiksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen fotoni on siis hiukkasfysiikan teorioissa vastuussa muun muassa kahden sähköisesti varatun hiukkasen välisestä sähköisestä vuorovaikutuksesta. Välittäjähiukkasia kutsutaan myös bosoneiksi, joten hiukkasfysiikan näkökulmasta voidaan sanoa maailman koostuvan fermioneista ja bosoneista (ja gravitaatiosta, joka jää hiukkaskuvauksen ulkopuolelle).


Atomi on siis läpimitaltaan noin 10000 kertaa suurempi kuin sen ydin. Arvioi kuinka suuri olisi atomi, jonka ydin on tennispallon kokoinen?

Palaamme hiukkasten maailmaan FY8-moduulissa

Seuraava sivu: Tähdet ja galaksit