Osassa 1 käsiteltiin siirtymää klassisesta fysiikasta moderniin fysiikkaan, fysiikan suhdetta muihin tieteenaloihin ja roolia tieteellisessä

Transkriptio

1 Yhteenveto Tällä kurssilla on keskitytty fysiikan suuriin linjoihin ja pyritty antamaan yleiskuvaa mitä fysiikka pitää sisällään. Kurssin punaisena lankana on ollut siirtyminen klassisesta 1800-luvun fysiikasta moderniin 1900-luvun fysiikkaan. Toinen usein esille noussut asia on ollut se, että fysiikka on teorian ja kokeiden yhteispeliä ja että teoria vaatii aina kokeellisen vahvistuksen tullakseen lopullisesti hyväksytyksi. Kolmas suuri linja on ollut nykyfysiikan tila, eli se mitä fysiikka on saanut maailmasta selville tähän mennessä. Tässä on keskitytty lähinnä alkeishiukkasfysiikkaan, koska syvällisimpänä fysiikan osa-alueena se kertoo mitä tällä hetkellä tiedetään alkeishiukkasista ja niiden välisistä perusvuorovaikutuksista. Tästä kokonaisuudesta on käytetty nimitystä hiukkasfysiikan standardimalli. 93

2 Osassa 1 käsiteltiin siirtymää klassisesta fysiikasta moderniin fysiikkaan, fysiikan suhdetta muihin tieteenaloihin ja roolia tieteellisessä maailmankuvassa sekä fysiikan sovelluksia. Fysiikka määriteltiin luontoa tutkivana tieteenä, jonka yhteys luontoon toteutuu kokeiden muodossa. Kokeissa selvitetään mahdollisimman tarkasti miten luonto eri tilanteissa toimii. Teorioiden yhteys luontoon todetaan kokeiden kautta eikä teoriaa hyväksytä luontoa kuvaavaksi mikäli kokeellista yhteyttä ei ole. Fysiikan tavoite on ymmärtää luontoa ja luonnonilmiöitä syvällisimmällä mahdollisella tasolla. Matematiikan rooli fysiikassa on olla järjestelmä, jolla tulokset voidaan esittää selkeästi, yksikäsitteisesti ja tarkasti. Matematiikka mahdollistaa ennusteiden laskemisen, jotta vertailu kokeiden kanssa olisi mahdollista. Lukiofysiikan asiat ovat suurimmaksi osaksi fysiikkaa, joka tunnettiin jo 1800-luvulla. Tätä fysiikkaa kutsutaan klassiseksi fysiikaksi ja sen pääalueet ovat lämpöoppi, mekaniikka, sähkömagnetismi ja optiikka. (Lukion asioista atomin rakenne ja sitä pienemmät rakenteet ovat jo moderniin fysiikkaan kuuluvia.) 94

3 Moderni fysiikka tarkoittaa fysiikkaa, joka pohjautuu suhteellisuusteoriaan tai kvanttimekaniikkaan. Koska näiden teorioiden kehitys tapahtui luvun alkupuolella, voidaan myös sanoa, että moderni fysiikka on fysiikkaa vuodesta 1900 eteenpäin. Suhteellisuusteorioita on kaksi, suppea (1905) ja yleinen (1916). Suppea suhteellisuusteoria käsittelee liikkeitä, jotka ovat lähellä valonnopeutta. Yleinen suhteellisuusteoria on gravitaation teoria. Einstein kehitti molemmat. Kvanttimekaniikka ( ) on mikromaailman (atomien ja sitä pienemmän mittakaavan) ilmiöiden teoria. Yleisemmin voisi puhua kvanttifysiikasta. Kvanttimekaniikalla oli useita kehittäjiä. Erityisesti kvanttimekaniikan tarve oli ilmeinen, koska tuolloin oli kerääntynyt jo runsaasti kokeellisia (mikromaailman) havaintoja, jotka olivat ristiriidassa klassisen fysiikan ennusteiden kanssa. 95

4 Kvanttimekaniikka ja suppea suhteellisuusteoria voidaan yhdistää. Tällöin päädytään loppujen lopuksi teorioiden luokkaan, joita kutsutaan kvanttikenttäteorioiksi. Ne ovat tämän hetken syvällisimpiä fysiikan teorioita ja ne kuvaavat alkeishiukkasten välisiä vuorovaikutuksia. (Hieman kaukaisempi haave olisi yhdistää kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria niin sanotuksi kvanttigravitaatioksi, mutta tässä ei ole toistaiseksi onnistuttu.) Tällä kurssilla keskitytään kuvailemaan enemmän mikromaailman nykyistä teoriaa (kvanttifysiikkaa) kuin gravitaatioilmiöihin liittyvää yleistä suhteellisuusteoriaa. Syy tähän on se, että kvanttifysiikka nähdään syvällisempänä kuin yleinen suhteellisuusteoria ja lisäksi kvanttifysiikalla on (huomattavasti) enemmän annettavaa sekä fysiikassa että yhteiskunnallisessa mielessä kuin yleisellä suhteellisuusteorialla. Yleisen suhteellisuusteorian merkitys on selittää avaruuden ilmiöitä, joissa painovoimalla on suuri merkitys, kuten mustat aukot. Myös universumin synty ja kehitys pohjautuvat yleisen suhteellisuusteorian antamaan kuvaan. 96

5 Klassisen fysiikan, yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan suhde voidaan pelkistää seuraavaan jaotteluun: Yleisen suhteellisuusteorian merkitys on selittää (lähinnä avaruuden) ilmiöitä, jotka liittyvät painovoimaan. Myös universumin synty ja kehitys ymmärretään yleisen suhteellisuusteorian kautta. Klassinen fysiikka selittää hyvin ilmiöt sellaisessa mittaluokassa jonka pystyy paljain silmin näkemään. Kvanttifysiikka selittää oikeastaan kaiken muun eli kaikki mikromaailman ilmiöt. Koska fysiikassa pyritään reduktionismiin eli pelkistämään isot asiat rakenneosiinsa ja niiden välisiin voimiin, periaatteessa myös suuremman mittakaavan ilmiöt seuraavat kvanttifysiikasta. (Käytännössä tätä on vaikea osoittaa yksityiskohtaisesti.) 97

6 Maailmankuvan kannalta kvanttifysiikka muutti klassisen fysiikan mielikuvat maailman ennustettavuudesta. Klassisesti kaikki tulevat tapahtumat piti pystyä ennustamaan täydellisesti, jos oli käytössä tarkkoja mittauksia nykyisyydestä. Kvanttimekaniikka kertoi, että tämä ei ole mahdollista ja että tulevista tapahtumista voidaan sanoa vain eri vaihtoehdot ja niille todennäköisyydet. Näitä todennäköisyyksiä ei voi kiertää millään tavalla ja siksi fyysikot ovat hyväksyneet ne osaksi luonnon perimmäistä toimintaa. Fysiikassa joudutaan tekemään likimääräistyksiä (approksimaatioita), koska luonto voi käyttäytyä hyvin monimutkaisesti. Tällöin eri tasoilla käytetään kullekin tasolle soveltuvaa teoriaa, joka usein on tarkemman teorian approksimaatio. Esim. atomien maailmassa kvanttimekaniikka ilman suppean suhteellisuusteorian vaatimuksia toimii useimmiten riittävän hyvin. Hiukkasfysiikassa sama teoria ei riittäisi vaan vaaditaan tarkempaa teoriaa (kvanttikenttäteoria). Vastaavasti ihmisen kokoluokan ilmiöissä riittävät klassisen fysiikan lait, eikä kvanttimekaniikkaa tarvita. 98

7 Fysiikka pyrkii antamaan tutkimuskohteestaan mahdollisimman syvällisen kuvauksen. Mikään muu luonnontieteen osa-alue ei mene yhtä syvälle vaan rajoittaa itsensä tietyille tasoille. Esim. kemia rajoittaa itsensä atomien ja molekyylien tasolle, eikä ole kiinnostunut atomiytimien sisäisestä rakenteesta tai kvarkeista. Muut luonnontieteet ja tekniikka käyttävät fysiikan teorioita, koska teoreettinen tietämys fysiikassa on kaikkein syvällisintä. Esimerkkinä kvanttimekaniikka, joka selittää käytännössä kaikki atomien ja molekyylien maailman ilmiöt ja siten toimii teoreettisena kivijalkana myös kemialle. Matematiikka sinänsä ei ole varsinainen luonnontiede, koska se tutkii teoreettisesti kaikkia mahdollisia rakenteita ilman mitään yhteyttä luontoon. Tässä se eroaa fysiikasta, jossa kokeilla on keskeinen asema. Matematiikka on kuitenkin erittäin hyödyllistä fysiikan tulosten esittämiseen ja ennusteiden laskemiseen. 99

8 Tieteellisellä maailmankuvalla tarkoitetaan tieteellisin menetelmin hankittua tietoa maailmasta ja sen toiminnasta. Koska fysiikka toimii kivijalkana muille luonnontieteille, se toimii myös tieteellisen maailmankuvan perustana. Fysiikan maailmankuva tarkoittaa tätä roolia tieteellisessä maailmankuvassa. Fysiikka ja muut luonnontieteet pyrkivät olemaan mahdollisimman hyvin perusteltuja ja testattuja. Tarvittaessa niitä voidaan korjata ja täydentää. Ne pyrkivät olemaan parasta mahdollista (senhetkistä) tietoa luonnon toiminnasta. Tutkimuksen kautta tieto täydentyy ja tiede kehittyy. Perustutkimus pyrkii ensisijaisesti luomaan uutta tietoa. Soveltava tutkimus pyrkii ensisijaisesti hyödyntämään olemassa olevaa tietoa. Koska tekniikka hyödyntää fysiikan lakeja ja periaatteita, monet teknisistä keksinnöistä, laitteista tai menetelmistä pohjautuvat suoraan fysiikan tietämykseen. Esim. sähkön hyötykäyttö, ydinvoima, laser, Nykyajan hyvinvointi perustuu pitkälti teknisiin keksintöihin ja sovelluksiin. 100

9 Osassa 2 käytiin läpi nykyfysiikan tilaa ja fysiikan tulevaisuutta. Fysiikkaa voidaan jaotella tutkimusaiheen mukaan, esim. kondensoidun materian fysiikka, atomi-, molekyyli- ja optinen fysiikka, ydin- ja hiukkasfysiikka, astrofysiikka, Hiukkasfysiikka on näistä aloista perustavinta laatua, koska se pureutuu syvimmälle aineen rakenteeseen ja vuorovaikutuksiin. Tämän vuoksi kurssilla rajoituttiin fysiikan nykytilan kuvauksessa erityisesti hiukkasfysiikan antamaan kuvaan maailman perusrakenteista. Hiukkasfysiikan antama kuva maailman perusrakenteista ja perusvuorovaikutuksista on teorioiden ja mallien joukko, jota kutsutaan hiukkasfysiikan standardimalliksi. Standardimallissa alkeishiukkasia on kahta tyyppiä, ainetta muodostavia fermioneja sekä vuorovaikutuksia välittäviä bosoneja. Näiden lisäksi on Higgsin bosoni, joka antaa osalle hiukkasista massan. Gravitaatio ei kuulu standardimalliin, koska sille ei ole löydetty toimivaa kvanttiteoriaa. Standardimallin kolme perusvoimaa ovat sähkömagneettinen voima, heikko voima ja värivoima. 101

10 Fermioneja ovat 6 kvarkkia (ylös, alas, outo, lumo, pohja, huippu) ja 6 leptonia (elektroni, elektronin neutriino, myoni, myonin neutriio, tau ja taun neutriino). Bosoneja ovat sähkömagneettisen voiman välittävä fotoni, heikon voiman W +, W - ja Z 0 -hiukkaset sekä värivoiman gluoni. Lisäksi Higgsin hiukkanen on bosoni. 102

11 Standardimallin vuorovaikutuksista värivoima sitoo kvarkit yhteen muodostaen protoneja ja neutroneja (sekä muita nopeasti hajoavia hiukkasia). Sama voima pitää myös protonit ja neutronit yhdessä muodostaen atomiytimet. Heikko voima ei sido hiukkasia yhteen vaan muuttaa hiukkasia toisiksi hiukkasiksi. Sähkömagneettinen voima pitää elektronit positiivisesti varautuneen ytimen läheisyydessä, muodostaen näin kaikki atomit. Sähköinen voima on viime kädessä vastuussa myös atomien yhdistymisestä molekyyleiksi ja kiinteiksi aineiksi. Myös kaikki ihmisen mittakaavan voimat, gravitaatiota lukuun ottamatta, ovat sähkömagnetismin ilmentymiä, mm. kitkavoimat ja kosketusvoimat. 103

12 Maailmassa ei pysyvästi esiinny raskaampia kvarkkeja kuin ylös- ja alaskvarkit, joista protonit ja neutronit muodostuvat. Leptoneista vain elektroni osallistuu aineen muodostamiseen (myoni ja tau hajoavat nopeasti eivätkä neutriinot kykene vuorovaikutuksillaan muodostamaan ainetta). Näin voidaan sanoa, että kaikki aine koostuu vain kolmesta eri alkeishiukkasesta eli elektroneista sekä ylös- ja alas-kvarkeista. Ilman Higgsin hiukkasta kaikki standardimallin hiukkaset olisivat massattomia. Higgsin hiukkanen antaa osalle hiukkasista massan vuorovaikuttaessaan niiden kanssa. Useimmilla hiukkasilla on oma antihiukkasensa. Antihiukkasen massa on sama kuin kyseisellä hiukkasella, mutta sen varaus on vastakkaismerkkinen. Antihiukkaset ovat periaatteessa pysyviä, mutta kohdatessaan tavallista ainetta, ne annihiloituvat eli tuhoutuvat tuottaen fotoneja. Tämän vuoksi antiainetta ja ainetta ei voi pysyvästi esiintyä toistensa lähellä. Koko universumi näyttäisi koostuvan (lähes) pelkästään aineesta. Antihiukkasia voidaan luoda hiukkastörmäyksissä. 104

13 Hiukkasfysiikan standardimallin kaikki hiukkasennusteet on vahvistettu kokeellisesti. Viimeinen näistä oli Higgsin bosonin kokeellinen vahvistus v Teoreettisesti Higgsin bosoni ennustettiin noin 50 vuotta sitten. Vuoden 2013 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin Peter Higgsille ja Francois Englertille tästä ennusteesta. Standardimalli on nyt pääosin valmis (eli sen teoreettiset ennusteet on vahvistettu kokeellisesti) ja se kuvaa kaikki tunnetut alkeishiukkaset ja niiden väliset vuorovaikutukset. Se on nykyfysiikan antama kuva maailmamme perusosista ja peruslaeista. 105

14 On kuitenkin muutamia kokeellisia havaintoja, joita standardimalli ei selitä. Näitä ovat neutriino-oskillaatio sekä havainto, että universumi laajenee kiihtyvään tahtiin. Neutriino-oskillaatio vaatii ainakin osalle neutriinoista massan, jota standardimallissa ei voida nykyisin selittää. Se vaatii standardimallin laajennuksia. Universumin kiihtyvä laajeneminen selitetään sanomalla, että se johtuu pimeästä energiasta. Pimeää energiaa ei ymmärretä eikä osata oikein edes arvailla mitä se voisi olla. Vastaava käsite on pimeä aine, jonka olemassaolo päätellään galaksien pyörimisnopeuksista. Maailmankaikkeuden energiatiheydestä vain 5 % on tavallista ainetta, kun pimeää ainetta arvellaan olevan 25 % ja pimeää energiaa 70 %. 106

15 Fyysikot pyrkivät kehittämään standardimallia laajentavia teorioita, jotka sisältävät uusia hiukkasia ja ilmiöitä (jotka tulisivat näkyviin entistä pienemmässä mittakaavassa eli suuremmilla energioilla). Näitä ovat erilaiset kvanttigravitaatio-, säie- ja supersymmetriateoriat. Niitä ei kuitenkaan ole kokeellisesti vahvistettu. Vain kokeelliset havainnot voivat vahvistaa teorian. Fysiikan yleiskuvaa muodostaessa kannattaa pitää mielessä mikä osa on (kokeellisesti) vahvistettua fysiikkaa ja mikä teoreettista arvailua. Voi olla mahdollista, että ihmiskunnan resurssit eivät riitä enää kovin paljon suurempien hiukkaskiihdyttimien rakentamiseen, jotta niillä voitaisiin testata uusia teorioita tai löytää uusia aiemmin tuntemattomia hiukkasia. Muistetaan kuitenkin, että tämä ongelma koskee vain kokeellista hiukkaskiihdyttimiin perustuvaa alkeishiukkasfysiikkaa. Muut fysiikan osaalueet jatkavat kuten ennenkin. Avaruus tarjoaa mielenkiintoisen laboratorion, josta on saatu ja voidaan myös vastaisuudessa saada havaintoja aiemmin tuntemattomista ilmiöistä. 107

16 Osassa 3 käsiteltiin sekalaisia aiheita ja kerrottiin hieman merkittävistä fyysikoista. Hiukkaskiihdyttimet mullistivat alkeishiukkasfysiikan luvulla niillä löydettiin satoja aiemmin tuntemattomia hiukkasia (jotka ymmärrettiin myöhemmin kvarkkien yhdistelmiksi). Periaate on kiihdyttää hiukkaset suuriin liike-energioihin ja törmäyttää ne vastakkain. Törmäyksessä vapautuva liike-energia muodostaa uusia hiukkasia, mikäli energia riittää uusien hiukkasten massojen luomiseen, Einsteinin kaavan E=mc 2 mukaan. Kiihdyttimet voivat olla lineaarisia tai ympyränmuotoisia. Hiukkasten kiihdyttämiseen käytetään sähkökenttiä ja ratojen kaareuttamiseen magneettikenttiä. Ympyränmuotoisissa kiihdyttimissä saavutetaan suurempia energioita ja niissä kiihdytetään raskaampia hiukkasia, kuten protoneja (Cernin LHC). 108

17 Hiukkaskiihdyttimillä ja niiden yhteydessä olevilla havaintolaitteilla on havaittu myös kaikki standardimallin raskaat alkeishiukkaset. Ydinenergian tuotannossa hyödynnetään fissiota, jossa raskas uraaniydin halkeaa pienemmiksi vapauttaen samalla energiaa. Ydinvoimalat tuottavat energiaa tällä tavoin. Enemmän energiaa olisi saatavilla fuusiosta, jossa vety-ytimet yhdistyvät heliumiksi. Aurinko tuottaa energiansa tällä tavoin. Myös ihmiskunta pyrkii kehittämään fuusioteknologiaa, mutta käytännön ongelmat ovat toistaiseksi olleet liian suuria. Läpimurto takaisi energiaa käytännössä loputtomiin, koska raaka-aineita saadaan merivedestä. 109

18 Merkittävistä fyysikoista kannattaa mainita Isaac Newton ( ) ja Albert Einstein ( ), joita pidetään suurimpina fyysikoina kautta aikojen. Newton loi klassisen fysiikan perusteet mekaniikallaan, gravitaatioteoriallaan ja optiikan tutkimuksillaan. Einstein loi yksinään sekä suppeamman että yleisen suhteellisuusteorian. Kvanttimekaniikan kehittäjät Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger ja Paul Dirac kannattaa mainita, koska kvanttimekaniikka (laajemmin kvanttifysiikka) on fysiikan tärkein teoria. Kuva. Aikansa merkittävimmät fyysikot koolla Solvay-konferenssissa Konferenssissa keskusteltiin vasta kehitetystä kvanttimekaniikasta ja siellä käytiin mm. Einsteinin ja Bohrin kuuluisia väittelyitä. Lähde: Wikipedia. 110

19 Kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian yhdistäminen johtaa loppujen lopuksi kvanttikenttäteorioihin, joilla kuvataan luonnon perusvoimia syvällisimmällä tunnetulla tasolla. Yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan yhdistäminen (kvanttigravitaatioksi) ei ole toistaiseksi onnistunut, mutta se on yksi fysiikan tulevaisuuden haasteista. Toisen maailmansodan jälkeisistä fyysikoista tunnetuimpia on Richard Feynman ( ), joka oli yksi kvanttielektrodynamiikan (QED) eli sähkömagnetismin kvanttikenttäteorian kehittäjistä. QED on fysiikan tarkin teoria. Standardimalliin liittyen ajankohtainen fyysikko on Peter Higgs (1929-), joka ennusti Higgsin bosonin teoreettisesti noin 50 vuotta sitten. Kun ennustettu hiukkanen saatiin kokeellisesti vahvistettua ( ), Higgsille myönnettiin vuoden 2013 fysiikan Nobel (yhdessä Francois Englertin kanssa). 111