Fysiikan nykytila ja saavutukset

Transkriptio

1 Fysiikan nykytila ja saavutukset Jako osa-alueisiin Nykyfysiikan jako pääaloihin voidaan tehdä sen perusteella mitä fysiikassa tällä hetkellä tutkitaan aktiivisesti (eli tutkimuskohteen mukaan). Näitä ovat kondensoidun materian fysiikka, atomi-, molekyyli- ja optinen fysiikka, ydin- ja hiukkasfysiikka, astrofysiikka, geofysiikka, biofysiikka, (Wikipedian Physics -artikkelin mukaan.) Yllä olevat jaot ovat hyvin laajoja ja ne voitaisiin edelleen jakaa yhä pienempiin osa-alueisiin. Nykyisin kondensoidun materian fysiikka (kiinteä aine, neste sekä eksoottisemmat olomuodot kuten supranesteet ja suprajohteet, Bose- Einstein-kondensaatti, ) on ylivoimaisesti suurin fysiikan pääaloista tutkijoiden määrällä mitattuna. Yksi sen tärkeimmistä osa-alueista on kiinteän aineen fysiikka, josta ala alunperin kehittyi. Hiukkasfysiikan kulta-aikaa olivat luvut, jolloin löydettiin runsaasti aiemmin tuntemattomia hiukkasia ja kehitettiin niitä kuvaavia teorioita. Tältä ajalta on peräisin hiukkasfysiikan standardimalli eli nykyfysiikan näkemys tunnetuista alkeishiukkasista ja niiden välisistä vuorovaikutuksista. 37

2 Astrofysiikka tutkii kaikkea mikä liittyy avaruuteen (sisältäen tähtitieteen ja kosmologian). Geofysiikka tutkii Maapalloa ja sen ilmakehää ja biofysiikka kaikkea elämään liittyvää fysiikan keinoin. Atomi-, molekyyli- ja optinen fysiikka tutkii nimensä mukaisesti atomeja, molekyylejä, valoa ja näiden välisiä vuorovaikutuksia, sisältäen erilaiset spektroskopiat. 38

3 Mistä maailma koostuu? Fysiikka pyrkii reduktionismiin eli siihen, että maailma koostuu (pienistä) rakennuspalasista, joita tutkimalla voidaan ymmärtää isommat kokonaisuudet. Tämän perusteella fysiikan perimmäinen tavoite olisi löytää maailman perusrakenneosat ja selvittää mikä pitää näitä osasia yhdessä. Tämä johtaa siihen, että fysiikan syvällisin osa-alue on hiukkasfysiikka, koska hiukkasfysiikan tehtävä on nimenomaan löytää maailman perusosaset ( perushiukkaset ) ja niiden väliset voimat. Kaikkea ei kuitenkaan voi laskea lähtien tarkimmista hiukkasfysiikan teorioista. Käytännössä on niin, että kullakin tasolla, esim. atomeja käsiteltäessä käytetään kyseiseen tasoon sopivaa teoriaa, joka on tarkemman teorian approksimaatio (likiarvo). Tarkemmat teoriat ovat liian raskaita, jotta niistä saisi irti tuloksia järkevässä ajassa ja siksi niitä käytetään vain kaikista yksinkertaisimpiin tilanteisiin ja sellaisiin ilmiöihin joita ei muuten voida ymmärtää. 39

4 Jos halutaan kuvailla mitä fysiikka tietää perusrakenteista, voidaan siis kertoa hiukkasfysiikan saavutuksista. Samalla ajatellaan, että muut mielenkiintoiset ilmiöt, jotka nousevat vaikkapa atomien ja molekyylien tai kiinteän aineen ilmiöistä, tavallaan sisältyvät tähän kuvaukseen, koska ne voidaan (periaatteessa) ymmärtää samojen teorioiden avulla. Tavallaan nämä muut ilmiöt ajatellaan hiukkasfysiikan ilmiöiden osajoukoksi. Tämä on reduktionistinen kuva maailmasta. Rikas ilmiömaailma jää kuvailematta tämän vuoksi, mutta samalla se yksinkertaistaa asioita, jos ylemmän tason ilmiöt voidaan (periaatteessa) palauttaa alemman tason ilmiöiksi. (Käytännössä tämä ei olekaan niin yksinkertaista ) Toisaalta pienen mittakaavan teorioilla ei ole pystytty kuvaamaan painovoimaa (eli sille ei ole löydetty toimivaa kvanttiteoriaa). Niinpä suuren mittakaavan ilmiöille (joissa gravitaatio on pääosassa) on oma erillinen teoriansa (yleinen suhteellisuusteoria), joka määrää maailmankaikkeuden suuret rakenteet ja myös koko universumin kohtalon. Varsinkin suurelle yleisölle fysiikka näyttäytyy erityisesti hiukkasfysiikan ja kosmologian saavutusten kautta. 40

5 Hiukkasfysiikan standardimalli Fysiikan näkemys maailman perusrakenneosasista perustuu hiukkasfysiikan standardimalliin, joka on teorioiden ja mallien joukko, joka kuvaa tunnetut alkeishiukkaset ja niiden väliset perusvuorovaikutukset. Sen mukaan maailmassa on kahdenlaisia alkeishiukkasia, fermioneja ja bosoneja. Fermionit ovat aineen rakennusosia (esim. kvarkit ja elektronit) ja bosonit ovat voimien välittäjähiukkasia (fotonit, gluonit, ). Toisin sanoen, bosonit pitävät fermionit yhdessä ja näin muodostuu isompia kokonaisuuksia. (Muunlaisiakin bosoneja ja fermioneja on olemassa, mutta ne ovat alkeishiukkasten yhdistelmiä, eivät itse alkeishiukkasia.) Perusvoimia on luonnossa 4 kpl. Ne ovat gravitaatio, sähkömagneettinen vuorovaikutus, heikko vuorovaikutus ja vahva vuorovaikutus. (Vahvaa vuorovaikutusta kutsutaan myös ns. värivoimaksi.) Voima ja vuorovaikutus tarkoittavat käytännössä samaa. Gravitaatio ei kuulu standardimalliin. Sille on oma erillinen teoriansa (yleinen suhteellisuusteoria), joka ei ole kvanttiteoria (eli ei sisällä kvanttimekaanisia ideoita). Gravitaatio on atomitason mittakaavassa hyvin heikko verrattuna muihin kolmeen perusvoimaan ja siksi sitä ei tarvitse huomioida tunnetuissa mikromaailman ilmiöissä lainkaan. 41

6 Standardimalli kuvailee siis kolmea mikromaailman perusvoimaa. Standardimallissa aineen perusosaset (joilla ei ole omaa sisäistä rakennetta) eli fermionit jakaantuvat kahteen luokkaan, kvarkkeihin ja leptoneihin, joita molempia on kuusi kappaletta. Kvarkkeja ovat ylös, alas, outo, lumo, pohja ja huippu. Tavallisessa aineessa esiintyy vain ylös- ja alas-kvarkkeja, kun taas neljää muuta voidaan tuottaa hiukkastörmäyksissä hiukkaskiihdyttimien avulla. Leptoneita on myös kuusi ja ne ovat elektroni, elektronin neutriino, myoni, myonin neutriino, tau ja taun neutriino. Tavanomaisessa aineessa esiintyy vain elektroneja. Muita voidaan tuottaa hiukkastörmäyksissä. Voimia välittävät gluoni (vahva vv), fotoni (sähkömagneettinen vv) ja W +, W - ja Z 0 -hiukkaset (heikko vv). Lisäksi tunnetaan Higgsin bosoni, joka antaa osalle hiukkasista massan. 42

7 Standardimallin vuorovaikutukset Vahva vuorovaikutus (tai värivoima ) sitoo kvarkit yhteen protoneiksi ja neutroneiksi (ei pidä sekoittaa neutriinoihin!) ja nämä edelleen atomiytimiksi. Standardimallin vahvaa vuorovaikutusta kuvaava teoria on nimeltään kvanttiväridynamiikka (QCD), jossa kvarkkien väliset vuorovaikutukset johtuvat (virtuaalisten) gluonien vaihdosta. Kvarkkeja ei ole koskaan havaittu vapaina (yksittäin), vaan ainoastaan ryhmissä, muodostaen esim. protoneita ja neutroneita. Tämä johtuu siitä, että kvarkin yrittäessä poistua ryhmästä, siihen vaikuttaa voima joka ei heikkene etäisyyden kasvaessa. (Voima ei siis hellitä otettaan ja käytännössä estää kvarkin karkaamisen.) Tätä sanotaan kvarkkien vankeudeksi ja se on yksi värivoiman erikoisista piirteistä. Vaikka värivoiman kantama on periaatteessa rajoittamaton, kvarkkien esiintyessä ryhminä näiden ryhmien (esim. protoni/neutroni) väliset voimat heikkenevät etäisyyden kasvaessa nopeasti. Sen vuoksi värivoiman vaikutuksia havaitaan vain atomiytimen kokoluokassa ( 10^-14 m). 43

8 Toinen erikoinen ominaisuus on se, että hyvin pienillä etäisyyksillä värivoima kahden kvarkin välillä heikkenee (vaikka normaalisti voimat vahvistuvat). Tätä sanotaan asymptoottiseksi vapaudeksi. Kvarkit sekä kvarkeista rakentuneet hiukkaset tuntevat värivoiman. (Myös itse gluoni tuntee sen eli toisin sanoen gluoni tuntee toisten gluonien vaikutuksen.) Välittäjähiukkanen gluoni on massaton. 44

9 Heikon vuorovaikutuksen kantama on hyvin lyhyt (< m). Se ei sido hiukkasia toisiinsa (kuten muut voimat). Se aiheuttaa hiukkasten hajoamista ja muuttumista toisiksi hiukkasiksi. Heikon voiman välittäjähiukkaset ovat nimeltään W +, W - ja Z 0. (Yläindeksi kertoo, että osalla niistä on myös sähkövaraus.) Muista voiman välittäjähiukkasista (fotoni, gluoni) poiketen niillä on massaa. Heikko voima on vastuussa osasta radioaktiivisia hajoamisia. Se aiheuttaa myös vapaan neutronin hajoamisen protoniksi (sekä elektroniksi ja antineutriinoksi) ja mahdollistaa myös kvarkkien muuttumisen toisiksi kvarkeiksi. 45

10 Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kvanttiteoria on kvanttielektrodynamiikka (QED). Se välittyy (virtuaalisten) fotonien vaihdon kautta ja sen kantama on rajoittamaton. Se on fysiikan tarkin teoria ja kuvaa sähkövarausta kantavien hiukkasten välistä vuorovaikutusta sekä valon ja muun sähkömagneettisen säteilyn käytöstä syvimmällä mahdollisella tasolla. Klassisen fysiikan sähkömagnetismin teoria on kvanttielektrodynamiikan approksimaatio. (Huomioidaan vielä, että heikolla ja vahvalla voimalla ei ole vastineita klassisessa fysiikassa.) Sähkömagneettinen vuorovaikutus on vastuussa oikeastaan kaikesta ihmissilmälle näkyvästä, gravitaatiota lukuunottamatta. Kun kuvittelee gravitaation (lähinnä Maan vetovoiman) aiheuttamat ilmiöt pois, kaikki on sähkömagnetismin ilmentymää. Atomit, molekyylit ja kiinteät aineet (ja siten myös kaikki Maapallolla näkyvät esineet ja asiat ihminen mukaanlukien) pysyvät koossa sähkömagnetismin avulla. Kitka sekä esineiden väliset kosketusvoimat välittyvät sähkömagnetismin kautta. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, jne. Sähkömagnetismi selittää siis valtaosan kaikista arkisista ilmiöistä. Ei siis ihme, että heikkoa ja vahvaa vuorovaikutusta ei löydetty kuin vasta 1900-luvulla, koska ne eivät näy tavanomaisessa elämässä. Niiden ilmiömaailma liittyy lähinnä atomiytimiin ja sitä pienempiin hiukkasiin. 46

11 Standardimallin hiukkaset Kvarkit muodostavat protoneita ja neutroneja (ja sitä kautta atomiytimiä) sekä muita (ei-pysyviä) hiukkasia. Yksittäisen kvarkin varaus on alkeisvarausta (yhden protonin varaus eli +1) pienempi. Esim. ylös-kvarkilla +2/3 ja alas-kvarkilla -1/3. Näistä saadaan koostetuksi protonin (+1 = 2 ylös ja 1 alas) ja neutronin (0 = 1 ylös, 2 alas) varaukset. Kvarkkeja ei tavata yksinään ja sen vuoksi yksittäisen kvarkin varausta ei myöskään havaita. Ylös- ja alas-kvarkit ovat keveimpiä kuudesta kvarkista. Muut ovat lyhytikäisiä ja hajoavat ylös- ja alas-kvarkeiksi. (Raskaiden hiukkasten yleinen ominaisuus on hajota keveämmiksi, mikäli se on jollakin keinolla sallittu.) Kvarkit tuntevat vahvan voiman lisäksi myös kaikki muut voimat. Ne ovat ainoita alkeishiukkasia, jotka tuntevat kaikki 4 vuorovaikutusta (gravitaatio mukaan lukien). 47

12 Leptoneita ovat elektroni, myoni ja tau sekä näiden neutriinot (3 kpl). Vain elektroni on näkyvän aineen rakenneosanen. Myoni ja tau ovat tavallaan elektronin raskaampia versioita. Niillä kaikilla on sama sähkövaraus (-1), mutta eri massat. Myoneja syntyy mm. kosmisten säteiden törmätessä Maan ilmakehän molekyyleihin. Elektroni, myoni ja tau tuntevat sähkömagneettisen, heikon ja gravitaatiovoiman. Neutriinot tuntevat vain heikon ja gravitaatiovoiman. (Niillä ei ole sähkövarausta ja siksi ne eivät tunne sähkömagneettista voimaa.) Neutriinojen vuorovaikutus tavallisen aineen kanssa on vähäinen ja siksi niitä on vaikea havaita. Niiden tutkimus on kuitenkin aktiivista, koska ne tarjoavat vinkkejä standardimallin laajennukseen. Neutriinoilla on kokeellisesti havaittu ns. neutriino-oskillaatiota, jossa neutriinot voivat vaihtua toisiksensa. Tämän perusteella (ainakin osalla) neutriinoista ajatellaan olevan massaa, vaikka standardimalli ennustaa ne massattomiksi. Tämä antaa vihjeitä mihin suuntaan standardimallia voisi laajentaa. 48

13 Standardimallin välittäjähiukkaset Standardimallin voimien välittäjähiukkaset mainittiin myös voimien yhteydessä ja ne ovat fotoni (sähkömagneettinen vv), gluoni (värivoima) ja W +, W - ja Z 0 -bosonit (heikko voima). Itse asiassa kyseisten vuorovaikutuksen välittymisessä on kyse virtuaalisten fotonien, virtuaalisten gluonien ja virtuaalisten W +, W - ja Z 0 - bosonien vaihdosta. (Virtuaalinen tarkoittaa, että niiden elinaika on hyvin rajoitettu eikä niitä voi havaita suoraan hiukkasilmaisimilla.) [Vastaavia aitoja (ei-virtuaalisia) hiukkasia ovat tavanomaiset fotonit, joita tulee vaikkapa Auringosta ja lampuista. Aitojen fotonien elinaikaa ei ole rajoitettu ja ne voidaan havaita suoraan. Gluoneita, kuten ei kvarkkejakaan, esiinny yksinään. Aitoja W +, W - ja Z 0 -bosoneita voidaan tuottaa hiukkaskiihdyttimissä. ] Fotonit ja gluonit ovat massattomia. W +, W - ja Z 0 -bosoneilla on (suuri) massa. 49

14 Higgsin bosoni Higgsin bosoni (tai Higgsin hiukkanen) on lähivuosikymmenien tärkein kokeellinen hiukkaslöytö (CERNin LHC: ). Se ennustettiin noin 50 vuotta sitten, mutta kokeellisesti vasta nyt on päästy sellaisiin energioihin (hiukkaskiihdyttimissä), joilla se voitiin tuottaa. Higgsin hiukkasen merkitys on massan luomisessa. Ilman tätä kaikki standardimallin hiukkaset olisivat massattomia. Kuitenkin havainnoista tiedetään, että lähes kaikilla alkeishiukkasilla on massa (paitsi fotoneilla ja gluoneilla). Massattomat hiukkaset liikkuvat valonnopeudella, massalliset hitaammin kuin valo. Lisäksi vuorovaikutusten kantama (eli kuinka pitkälle ne vaikuttavat) riippuu välittäjähiukkasten massasta tai massattomuudesta: massallisilla on rajoitettu, usein lyhyt, kantama. Massattomien kantama on periaatteessa rajoittamaton. 50

15 Massan luova periaate on (pelkistäen) seuraava: Kaikkialla ajatellaan olevan virtuaalisia Higgsin hiukkasia. Ilman näitä muut hiukkaset kulkisivat valonnopeudella, mutta ne joutuvat kulkemaan tämän hiukkasmeren läpi. Ne hiukkaset, jotka vuorovaikuttavat (virtuaalisten) Higgsin hiukkasten kanssa, hidastuvat. Ne, jotka eivät vuorovaikuta, eivät edes huomaa Higgsin hiukkasia ja voivat siksi liikkua valonnopeudella. Nyt voidaan kysyä miksi Higgsin hiukkanen on havaittu kokeellisesti vasta nyt vaikka teorian mukaan niitä pitäisi olla kaikkialla? Vastaus on, että kaikkialla on vain virtuaalisia Higgsin hiukkasia, joita ei voi havaita suoraan ilmaisimilla vaan ainoastaan epäsuorasti (=edellä kuvattu mekanismi). Hiukkaskiihdyttimillä sitä vastoin tuotetaan aitoja Higgsin hiukkasia ja tämä vaatii suuria energioita. 51

16 Antihiukkasista Useimmilla hiukkasilla tiedetään olevan antihiukkanen, jolla on sama massa, mutta eri varaus. Antihiukkasten olemassaolo on vahvistettu kokeellisesti. Elektronin antihiukkanen on positroni ja vaikkapa protonilla se on antiprotoni. (Jotkut hiukkaset ovat omia antihiukkasiaan, kuten fotoni.) Antihiukkasia syntyy hiukkastörmäyksissä ja hiukkasten hajotessa. Hiukkasen ja sen antihiukkasen kohdatessa ne annihiloituvat (eli häviävät) tuottaen esimerkiksi fotoneita. Tämän vuoksi antiainetta ei voi esiintyä pysyvästi tavallisen aineen läheisyydessä. Antihiukkasista voi periaatteessa muodostua antiainetta, joka koostuu pelkästään antihiukkasista. Kuitenkin maailmankaikkeudessa ei juurikaan havaita antiainetta (vaan lähes pelkästään ainetta, josta kaikki siis koostuu). Aineen syntyä koskevien ennusteiden pohjalta ainetta ja antiainetta olisi pitänyt syntyä Alkuräjähdyksessä saman verran. Onkin yksi fysiikan ratkaisemattomia kysymyksiä miksi ainetta näyttäisi olevan paljon enemmän kuin antiainetta. Antihiukkasten joukko lisää tunnettujen hiukkasten määrää. 52

17 Mihin ylimääräisiä kvarkkeja tarvitaan? Voidaan kysyä mihin neljää muuta kvarkkia tarvitaan jos näkyvä maailmamme koostuu vain ylös- ja alaskvarkeista (ja elektroneista). Vaikka pysyvät rakenteet koostuvatkin vain näistä, on havaittu runsaasti lyhytikäisiä ( ei-pysyviä ) hiukkasia, joiden olemassaoloa ei pystyttäisi ymmärtämään pelkästään kahden kvarkin avulla. Näitä voidaan tuottaa hiukkaskiihdyttimissä. Fysiikka tutkii myös tällaisia keinotekoisesti tuotettuja hiukkasia ja ne ovat tärkeä osa sen ymmärtämiseksi mitä voisi olla olemassa, jos olosuhteet sallisivat. Esim. alkuräjähdyksen alkuhetkinä olosuhteet ovat olleet suotuisat eksoottisille hiukkasille. Toki myös hiukkaskiihdyttimet luovat sopivat olosuhteet. Ylimääräisiä kvarkkeja (niistä muodostuvia hiukkasia) esiintyy siis lyhytikäisesti sopivissa olosuhteissa. Kattava kuva alkeishiukkasista vaatii siten myös näiden huomioimista. Sama pätee myös muille ylimääräisille hiukkasille. 53

18 Standardimallin nykytila Äskeinen oli lyhyt kuvaus fysiikan tuntemista perushiukkasista ja voimista. Jos tämä tieto olisi lopullista ja muuta ei olisi, näiden perushiukkasten ja vuorovaikutusten ominaisuuksien tunteminen johtaisi kaikkiin muihin ilmiöihin (poislukien gravitaatio), kunhan niitä sovellettaisiin kaikkiin mahdollisiin tilanteisiin. Käytännössä tämä ei siis onnistu, koska vuorovaikutukset ovat (liian) monimutkaisia tai niitä ei tunneta vielä täsmällisesti. Lisäksi hiukkasten suuri määrä vaatii yksityiskohtien poisjättämistä, jne. Standardimalli on kuitenkin hyvä teoriakokonaisuus, joka antaa yhtenäisen kuvailun kolmelle neljästä perusvoimasta ja kaikille nykyisin tunnetuille (havaituille) hiukkasille. Higgin bosonin kokeellinen havainto ( ) aivan vastikään oli kuin palapelin viimeinen puuttuva palanen standardimallissa. Se löytyi CERNin LHC-hiukkaskiihdyttimellä juuri sieltä mistä sitä odotettiinkin. (Tällä hetkellä viimeisiä varmistusmittauksia tehdään vielä, mutta käytännössä on varmaa, että havaittu hiukkanen on etsitty Higgsin bosoni.) Tämä päättää tietyn aikakauden hiukkasfysiikassa, koska standardimallia alettiin kehittää jo 1960-luvulla ja muut hiukkasennusteet (mm. kaikki kvarkit) on jo kokeellisesti löydetty. Higgsin hiukkasen löytö varmistaa standardimallin viimeisenkin hiukkasennusteen ja malli on saanut lopullisen vahvistuksensa. Standardimalli on siis viimeinkin valmis. 54

19 Kyseessä on hyvä esimerkki fysiikan kokeellis-teoreettisesta luonteesta: vasta kun teoria ja kokeet antavat samat tulokset, teoria voidaan lopullisesti hyväksyä. Standardimallin vahvistaminen ei tarkoita, että itse fysiikka olisi saavuttanut täydellisyyden tilan. Uudet löydöt avaavat aina uusia ovia ja on jo kauan puhuttu standardimallin ulkopuolisesta uudesta fysiikasta. Uusi fysiikka on joukko teorioita ja ennusteita, joilla standardimallia voisi laajentaa. Nämä ovat teoreettisen fysiikan ennusteita, koska monia niistä ei ole voitu vahvistaa kokeellisesti. On kuitenkin kokeellisesti havaittuja asioita, joita nykyfysiikalla ei toistaiseksi ymmärretä ja siksi fysiikan teorioita halutaan laajentaa. Joitakin kokeellisia havaintoja, joihin standardimalli ei anna vastausta ovat neutriino-oskillaatio (neutriinojen vaihtuminen toisiksi neutriinoiksi) sekä universumin kiihtyvä laajeneminen. Nämä vaativat standardimallin ulkopuolista fysiikkaa ja ovat siksi tärkeitä vinkkejä siitä mihin suuntaan fyysikoiden tulisi katsoa kehittäessään uutta fysiikkaa. 55

20 Alkuräjähdysteoria ja aineen synty Big Bang- eli alkuräjähdysteoria on fysiikan antama kuva maailmankaikkeuden synnystä. Nykyisten mittausten ja yleisen suhteellisuusteorian pohjalta voidaan laskea millainen universumimme on ollut aiemmin. Näin laskien universumimme (=maailmankaikkeus) oli noin 13.8 miljardia vuotta sitten pakkautunut tiheään pisteeseen, josta se on alkanut laajenemaan ja laajentuu yhä. Universumimme katsotaan saaneen alkunsa tällä tavalla. Siitä mitä tapahtui aivan alussa (tai ennen alkua) ei ole tarkkaa tietoa, koska nykyisiä teorioita aineen ja voimien luonteesta ei pystytä testaamaan vastaavissa olosuhteissa. Alun tapahtumat ovat arvioita mitä ehkä tapahtui. Nykyteoriat alkavat valottaa tapahtumia noin sekunnista eteenpäin ( ajanlasku alkaa siis nollasta, jolloin myös itse aika sai alkunsa). Alkuhetkinä energiatiheys oli valtava. Tällaisissa olosuhteissa tavanomaisia atomeita ei ole vaan aine on jonkinlaista alkeishiukkaspuuroa. Laajenemisen myötä energiatiheys laski ja muutaman minuutin kuluttua protoneita (vety-ydin) ja neutroneita pystyi muodostumaan. Myös heliumytimiä pystyi muodostumaan fuusioitumalla. 56

21 Noin vuoden kuluttua vety- ja heliumytimet pystyivät muodostamaan elektronien kanssa vety- ja heliumatomeja (energiatiheys oli laskenut niin, että atomit pysyivät jo kasassa). Nämä keveät alkuaineet ovat siis peräisin tältä ajalta. Vähitellen ainetta kerääntyi isommiksi ryppäiksi gravitaation vaikutuksesta ja mm. tähtiä alkoi muodostua. Raskaammat alkuaineet syntyvät tähtien sisuksissa fuusioreaktioissa keveämpien ytimien törmätessä toisiinsa ja yhdistyessä. Alkuaineet leviävät avaruuteen supernovaräjähdyksissä. Vedystä, heliumista ja raskaammista alkuaineista muodostuu edelleen uusia tähtiä ja planeettoja. Tämä on fysiikan antama kuva maailmankaikkeuden ja alkuaineiden synnystä. Maailmankaikkeuden kohtalona on ilmeisesti laajeta ikuisesti, koska nykyhavaintojen perusteella laajeneminen on kiihtyvää. (Kiihtyvän laajenemisen syytä ei tiedetä, mutta sille on annettu nimi pimeä energia. Yksi nykyfysiikan päähaasteista on selvittää mitä pimeä energia on.) 57

22 Fysiikan tulevaisuus? Neutriino-oskillaatio ja universumin kiihtyvä laajeneminen ovat siis vinkkejä uuden fysiikan suunnasta. Muita vihjeitä on otettu nykyisistä teorioista, malleista ja niiden puutteista. Esim. gravitaation kvanttiteoriaa yritetään löytää, koska muille voimille sellainen jo on. Aiemmin mainitut sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus on pystytty yhdistämään saman teorian alle eli ne nähdään saman vuorovaikutuksen erilaisina ilmentyminä. Sen lisäksi (kun ekstrapoloidaan kaikkien nykyisten voimien voimakkuutta entistä pienempään mittakaavaan mentäessä) havaitaan, että voimat saattavat tulla suurinpiirtein yhtä voimakkaiksi tietyillä etäisyyksillä. Tämä tulkitaan vihjeeksi siitä, että ehkäpä kaikki voimat yhdistyvät jossakin pienessä mittakaavassa. Universumin laajenemisen uskottiin aiemmin olevan hidastuvaa, koska gravitaatio hidastaisi laajenemista. Kuitenkin v tehdyt havainnot (supernovien punasiirtymistä) kertoivat, että universumin laajeneminen onkin kiihtyvää. Syytä kiihtyvään laajenemiseen ei tiedetä, mutta sen aiheuttajaa kutsutaan nimellä pimeä energia. Mitä pimeä energia sitten on? Onko se aiemmin tuntemattomia hiukkasia vai jotain ihan muuta? Toistaiseksi ei tiedetä. Pimeä energia on jotain, joka aiheuttaa universumin kiihtyvän laajenemisen, mutta fyysikoilla ei ole tietoa siitä mitä se voisi olla. 58

23 Pimeä aine on pimeän energian kanssa vastaavanlainen käsite. Galaksien pyörimisnopeuksista ja niiden kiertoajoista galaksimuodostelmissa on päätelty, että näkyvä aine (joka voidaan havaita nykymenetelmillä) ei riittäisi pitämään galaksijoukkoja koossa omalla gravitaatiollaan. Tämän vuoksi ratkaisuksi on ehdotettu, että on olemassa pimeää ainetta jota ei voi suoraan havaita, mutta se vaikuttaisi muihin kappaleisiin gravitaation (sekä heikon voiman) kautta. Heikon vuorovaikutuksen ilmiöitä on äärimmäisen vaikea havaita. Pimeälle aineelle ei ole sopivaa kandidaattia nykyään tunnetuissa hiukkasissa, joten sen täytynee olla esim. jokin aiemmin tuntematon hiukkaslaji. Mittausten mukaan tavanomaista ainetta on universumimme koostumuksesta vain 5 %, kun pimeää ainetta arvellaan olevan 25 % ja pimeää energiaa 70 %. Maailmankaikkeudesta vain tämä 5 % on tunnettua ja sille on löytynyt selitys, mutta suurin osa on silti toistaiseksi tuntematonta. Fysiikka tarvitsee siis jälleen uusia ideoita ja ajatuksia. 59

24 Tätä tuntematonta maailmaa on vaikea tutkia, koska se vuorovaikuttaa vain heikonlaisesti tavallisen aineen kanssa ja siksi sen havainnointi on äärimmäisen vaikeaa. Lisäksi nykyiset hiukkaskiihdyttimet eivät todennäköisesti kykene tarpeeksi suuriin energioihin nähdäkseen syntyisikö niillä tehtävissä törmäyksissä uusia hiukkasia, jotka selittäisivät vaikkapa pimeän aineen. Neutriinojen vaihtuminen toisikseen (neutriino-oskillaatio) ei myöskään selity standardimallin avulla. Neutriino-oskillaatio kertoo neutriinoilla olevan massaa vaikka standardimallin mukaan niiden kuuluisi olla massattomia. Neutriinotutkimus on astrohiukkasfysiikan kuumia aloja, koska se voi tarjota sekä standardimallin laajennuksia että osaselityksiä pimeälle aineelle. Suomi (Pyhäsalmen kaivos, 160 km Oulusta) voi olla seuraavan kansainvälisen neutriinotutkimuslaitoksen sijoituspaikka. Projekti kulkee työnimellä LAGUNA ja se olisi ensimmäinen suuren kokoluokan kansainvälinen tieteellinen projekti Suomessa. Päätöksiä tehtäneen lähivuosina... 60

25 Entä mikä on (kiihdytinpohjaisen) kokeellisen hiukkasfysiikan tulevaisuus? Kuinka suureen energiaan ihmisen rakentamilla hiukkaskiihdyttimillä päästään? Tullaanko vielä näkemään LHC:tä suurempia laitteita? Onko hintalappu jo liian suuri? Odottavatko uudet löydökset jo nurkan takana vai pelkistyykö tutkimus vain teoreettiseksi arvailuksi? Koska kiihdytinpohjainen kokeellinen hiukkasfysiikka vaatii suuria ponnisteluja sekä teknologisesti että rahallisesti, voidaan kysyä kuinka pitkälle voidaan vielä mennä ja tulevatko rajat käytännössä vastaan jo piankin? Mikäli näin kävisi, kokeellisen hiukkasfysiikan tutkimus olisi vastaisuudessa ei-kiihdytinpohjaista (esim. neutriinojen tutkimukset) tai samoilla laitteilla tehtäviä tarkkuusmittauksia. Tämä jää nähtäväksi. 61

26 Ihan viime vuosikymmeninä avaruudesta on saatu monia mielenkiintoisia havaintoja, mm. edellä mainittu universumin kiihtyvä laajeneminen, jonka selitystä kutsutaan pimeäksi energiaksi. On hyvinkin mahdollista, että avaruudesta tulee entistä tärkeämpi laboratorio mikäli ihmiskunnan resurssit eivät riitä entistä suurempiin kokeellisen hiukkasfysiikan projekteihin. Avaruuden ilmiöiden ymmärrykseen vaaditaan tietoja useilta fysiikan osaalueilta (mm. yleinen suhteellisuusteoria ja hiukkasfysiikka). Uusien havaintolaitteiden (avaruuteen vietävät satelliitit ja mittalaitteet) toivotaan avaavan uusia (kokeellisia) ovia fysiikan tutkimukseen. Nämä voivat auttaa vastaamaan sellaisiin kysymyksiin kuin mitä pimeä aine ja pimeä energia ovat sekä antaa vihjeitä siitä mihin suuntaan standardimallia on laajennettava. 62

27 Säieteoriat ja supersymmetria Nykyfysiikan antama kuva alkeishiukkasista perustuu siis standardimalliin. Teoreettiset fyysikot ovat kehitelleet standardimallia laajentavia teorioita, jotka pyrkivät erityisesti yhdistämään yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan. Käytännössä tämä tarkoittaa, että pyritään löytämään gravitaatiolle kvanttiteoria (kuten kolmella muulla perusvoimalla jo on). Näihin teorioihin lukeutuvat esim. säieteoriat ja supersymmetriateoriat. Näitä teorioita on paljon ja niistä on useita variaatioita. Ne ovat ehdokkaita Kaiken Teoriaksi, joka yhdistäisi ja selittäisi koko tunnetun fysiikan. (Korostettakoon vielä, että nykyinen gravitaation teoria poikkeaa lähtökohdiltaan muiden perusvoimien teorioista, jolloin niillä ei ole yhtenäistä kuvausta. Tämä nähdään epätyydyttävänä asiaintilana.) Kannattaa pitää mielessä, että nämä eivät ole vielä hyväksyttyä fysiikkaa, koska niitä ei ole vahvistettu kokeellisesti. Fysiikan tärkein kriteeri on se, että teoria täytyy pystyä vahvistamaan kokeellisesti. Muuten ei voida tietää onko teoria aidosti luontoa kuvaava vai pelkkää mielikuvituksen tuotetta. 63

28 Ei ole takeita siitä, että mikään näistä Kaiken teorioista osoittautuisi oikeaksi tai olisi edes oikeilla jäljillä. Vain kokeet voisivat sen kertoa, mutta ne vaatisivat nykyistä (mahdollisesti paljonkin) suurempia kiihdyttimiä. Takeita ei ole, että tällaisia tultaisiin (tai edes pystyttäisiin) rakentamaan. Nykyiset kiihdyttimet eivät ole (ainakaan toistaiseksi) löytäneet viitteitä tällaisesta uudesta fysiikasta. Kokeelliset vihjeet olisivat äärimmäisen tärkeitä, koska ne antaisivat suuntaviivoja sekä uusia ideoita ja supistaisivat lisäksi mahdollisten teorioiden joukkoa. Fysiikan yleiskuvaa hankkiessa on hyvä pitää mielessä, mikä osa on varmistettua fysiikkaa ja mikä spekulaatiota ( arvailua ). Lisäksi kannattaa huomioida jo tunnetut kokeelliset vihjeet (pimeä aine, pimeä energia, neutriino-oskillaatio), joihin laajennusten tarve perustuu. 64