Sekalaisia aiheita. Hiukkaskiihdyttimet ja uudet hiukkaset

Transkriptio

1 Sekalaisia aiheita Hiukkaskiihdyttimet ja uudet hiukkaset Hiukkaskiihdyttimiä alettiin kehittää 1930-luvulla. Niiden ideana on kiihdyttää hiukkasia suuriin nopeuksiin ja antaa hiukkasten törmätä joko toisiinsa tai paikallaan oleviin kohteisiin. Kun hiukkaset törmäävät, ne samalla hidastuvat ja niiden vapautuvasta liike-energiasta voi syntyä uusia hiukkasia luvulla hiukkaskiihdyttimet alkoivat olla niin kehittyneitä, että niiden avulla pystyttiin tuottamaan uusia, ennen tuntemattomia hiukkasia. Tätä ennen kosmiset säteet olivat olleet tärkein hiukkasten lähde. Kehityksen mahdollisti valtion rahoituksen valtaisa lisääntyminen toisen Maailmansodan jälkeen, erityisesti Yhdysvalloissa, jonne fysiikan painopiste oli siirtynyt jo hieman ennen sotaa (aiemmin painopiste oli Euroopassa). Suuret laitteet tarvitsivat paljon rahaa. Kiihdyttimien kehityksen myötä kehittyivät myös menetelmät uusien hiukkasten havaitsemiseksi. (Uudet hiukkaset pitää myös havaita jollakin laitteella niiden syntymisen jälkeen. Kiihdyttimet vain kiihdyttävät ja törmäyttävät hiukkasia, eivät havainnoi niitä.) Näistä voidaan mainita kuplakammio (1952), jolla voidaan havaita kammion läpi kulkeneita sähköisesti varattuja hiukkasia niiden jättämien ratojen perusteella. 65

2 Kiihdyttimissä voidaan kiihdyttää vain sähköisesti varattuja hiukkasia, kuten elektroneja, protoneja tai niiden antihiukkasia (positroneja ja antiprotoneja). Hiukkasten kiihdyttämiseksi käytetään sähkökenttiä. Kiihdyttimiä on kahdenlaisia, lineaarisia (eli suoria) tai ympyränmuotoisia. Ympyränmuotoisissa kiihdyttimissä hiukkaset voivat kiertää kehää (periaatteessa rajoittamattoman pitkään) ja niille voidaan antaa lisäenergiaa kullakin kierroksella, jonka vuoksi niissä voidaan saavuttaa suurempia energioita. Lineaarisissa kiihdyttimissä hiukkasta voidaan kiihdyttää vain kiihdyttimen pituuden verran. Lineaarisissa kiihdyttimissä hiukkaset kulkevat suoraviivaisia ratoja. Eilineaarisissa hiukkasten ratojen täytyy kaareutua. Kaareuttamiseen käytetään magneettikenttiä, koska magneettikenttä muuttaa varatun hiukkasen nopeuden suuntaa (mutta ei sen suuruutta eli vauhtia). Sähkökentät hoitavat siis nopeuden lisäykset ja magneettikentät hoitavat suunnanmuutokset. 66

3 Ei-lineaariset kiihdyttimet soveltuvat huonosti keveille hiukkasille, kuten elektroneille ja positroneille, koska kaareva liike saa kaikki varatut hiukkaset menettämään energiaa sähkömagneettisena säteilynä. Säteilyn voimakkuus riippuu käänteisesti hiukkasen massasta (4. potenssista), joten keveät hiukkaset säteilevät huomattavasti enemmän kuin raskaammat joutuessaan kaarevaan liikkeeseen. Koska säteily on suoraan pois liikeenergiasta, tämä rajoittaa keveiden hiukkasten kiihdyttämistä suuriin energioihin ei-lineaarisilla kiihdyttimillä. Lineaarisissa kiihdyttimissä tätä ongelmaa ei ole ja siksi ne soveltuvat hyvin elektroneille ja positroneille. Ympyränmuotoiset kiihdyttimet (mm. CERNin LHC) soveltuvat esim. protoneille, koska protonit ovat huomattavasti ( 2000 kertaa) painavampia kuin elektronit ja ne menettävät siksi paljon vähemmän energiaa säteilynä. Ympyränmuotoisissa kiihdyttimissä päästään suurempiin energioihin kuin vastaavankokoisissa lineaarisissa kiihdyttimissä. Kun hiukkaset laitetaan törmäämään toisiinsa, niiden (suuri) liike-energia vapautuu ja menee muuhun käyttöön (koska energia ei häviä), lähinnä uusien hiukkasten tuottamiseen. 67

4 Suppean suhteellisuusteorian mukaan kaikkeen massaan sisältyy energiaa. (Massa on yksi energian ilmenemismuoto.) Jos energiaa on tarjolla, siitä voi syntyä uusia hiukkasia, mikäli energia riittää niiden massojen tuottamiseen. (Einsteinin kaava E=mc 2 kertoo, että m-massaisen hiukkasen tuottamiseen tarvitaan energiaa (E) vähintään mc 2, missä c on valonnopeus.) Kiihdyttimillä pystyttiin tuottamaan runsaasti (satoja) aiemmin tuntemattomia hiukkasia. Kävi selväksi, etteivät ne kaikki voineet olla alkeishiukkasia (eli ilman sisäistä rakennetta). Alettiin kehitellä malleja, jotka selittäisivät hiukkasten paljouden pienemmällä määrällä alkeellisempia hiukkasia. Kvarkkimallin kehittäminen 1960-luvulla antoi vastauksen hiukkasten paljouteen. Uudet hiukkaset ymmärrettiin kvarkkien erilaisina yhdistelminä. (Ne ovat tosin lyhytikäisiä, eivätkä siten muodosta pysyvää ainetta.) Sittemmin kiihdyttimillä on kokeellisesti vahvistettu myös kaikki standardimallin raskaat alkeishiukkaset kuten kvarkit (+gluonit), tau, W +, W - ja Z 0 -bosonit ja Higgsin bosoni. (Keveämmät löydettiin muuta kautta.) 68

5 Hiukkaskiihdyttimet (ja niihin liittyvät hiukkasilmaisimet) ovat olleet kokeellisesti merkittävin keino tutkia alkeishiukkasia ja niiden välisiä vuorovaikutuksia. Itse asiassa kiihdytinten kehittäminen ja hyödyntäminen 1930-luvulta lähtien muuttivat fysiikan painopisteen Euroopasta Yhdysvaltoihin. Sittemmin kokeellisen hiukkasfysiikan painopiste on siirtynyt takaisin Eurooppaan 1980-luvulla (erityisesti CERNin ansiosta), vaikkakin Yhdysvallat on yhä johtava maa fysiikassa yleisesti. 69

6 Ydinenergiasta Ydinvoima on energiantuotantomuoto, jossa hyödynnetään vapautuvaa energiaa, kun isot atomiytimet halkeavat pienemmiksi. Kaikki ihmisen kaupallisesti tuottama ydinenergia perustuu fissioon, jossa iso atomiydin (yleensä uraani) halkeaa pienemmiksi ytimiksi vapauttaen samalla energiaa. Energian vapautuminen perustuu siihen, että tulosytimien yhteenlaskettu massa on pienempi kuin lähtöytimen. Energiaa vapautuu massaeron verran, Einsteinin kuuluisan kaavan E=mc 2 mukaan (E=energia, m=massa, c=valonnopeus). Pienikin massaero tuottaa suuren määrän energiaa. Kaava kertoo samalla, että kaikki massa sisältää (suuren määrän) energiaa. Fissiopohjainen energiantuotanto tuottaa radioaktiivista jätettä, jonka varastointiongelmaa ei ole toistaiseksi ratkaistu tyydyttävästi. Uhkana on myöskin ydinonnettomuuden mahdollisuus. Toisaalta koko elinkaaren aikaiset hiilidioksidipäästöt ovat pieniä verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin. Wikipedian mukaan ydinvoimalla tuotettiin noin 6 % maailman energiankulutuksesta v

7 Toinen ydinenergian vapauttamismuoto on fuusio, jossa pienemmät ytimet (esim. vety) yhdistyvät suuremmiksi (esim. helium) vapauttaen samalla energiaa. Aurinko ja muut tähdet tuottavat energiansa fuusion kautta. Ihmiskunta ei ole vielä onnistunut valjastamaan fuusiota kaupalliseksi energiantuotantomuodoksi, pääosin siksi, että fuusioon vaadittavat lämpötilat ovat erittäin korkeita, 10 8 Kelviniä (eli sata miljoonaa astetta) ja reaktiopolttoaineen (vety) koossapito näissä olosuhteissa on haasteellista. Nykyisin testikäytössä olevilla fuusioreaktoreilla ei saavuteta vielä niin paljon energiaa, että ne tuottaisivat enemmän energiaa kuin mitä reaktion käynnistäminen vaatii. Ne eivät siis vielä ole käyttökelpoisia energiantuotantomenetelmiä. Fuusioreaktion lopputuote on heliumia, joka ei ole vaarallista, joten radioaktiivisen jätteen ongelmaa ei olisi. Toteutuessaan fuusio turvaisi ihmiskunnan energiansaannin käytännössä loputtomiin, koska lähtöaineita on runsaasti saatavilla esimerkiksi merivedestä. Fuusioreaktion käytännön ongelmat ovat kuitenkin niin vaikeita, että todellinen läpimurto näyttää aina olevan noin vuoden päässä. 71

8 Fysiikan kokeellis-teoreettisesta menetelmästä Fysiikka on kokeellis-teoreettinen luonnontiede. Se vaatii sekä kokeita, jotka tuottavat havaintoja maailmasta että teorioita, jotka yhdistävät kokeelliset havainnot yhtenäisiksi kokonaisuuksiksi. Hyvin harva nykyfyysikko on sekä kokeilija että teoreetikko. Kullakin fysiikan tutkimusalueella toki tarvitaan sekä kokeilijoita että teorian kehittäjiä. Kokeellisessa fysiikassa suunnitellaan ja tehdään mittauksia kaupallisesti saatavilla laitteilla tai kehitetään omia laitteita ja uusia (mittaus)menetelmiä. Mittaukset analysoidaan ja tulokset raportoidaan tieteellisissä lehdissä (melkein aina englanninkielisiä). Kokeellinen tutkimus pyrkii tuottamaan mittauskohdetta koskevia havaintoja. Teoreettisessa fysiikassa ei olla tekemisissä mittalaitteiden kanssa, mutta toki ollaan tietoisia kokeilijoiden saavuttamista havainnoista, jotka pyritään kokoamaan teorioiksi ja ymmärtämään osana suurempaa kokonaisuutta. Teoreettisista malleista johdetaan tuloksia tai jopa uusia ilmiöitä, joita kokeilijat voivat testata. Kokeiden ja teorian yhteispeli on fysiikan kulmakivi. (Sitä kutsutaan myös tieteelliseksi menetelmäksi.) 72

9 On joitakin teoreettisen fysiikan osa-alueita (kuten vaikkapa mustien aukkojen tutkimus) joista on vaikeaa tai mahdotonta saada suoraa kokeellista tietoa tai päästä suoraan tutkimaan kohdetta. Myöskin fysiikan perusteorioiden laajennukset ( uusi fysiikka) on alue, jossa liikutaan nykyisten kokeiden saavuttamattomissa. On huomionarvoista, että uusia teorioita ei tulla hyväksymään oikeiksi mikäli niille ei tulla saamaan kokeellista vahvistusta. Ne ovat tässä vaiheessa eräänlaisia mahdollisuuksia, eivät vahvistettua fysiikkaa. Cernin LHC:llä (Large Hadron Collider, käynnissä nykyisin) saatavat tulokset voivat antaa suuntaa uudelle fysiikalle. Mahdolliset havainnot auttavat kulkemaan oikeaan suuntaan ja hylkäämään sellaiset teoriat jotka ovat ristiriidassa havaintojen kanssa. Voi myös käydä niin, että havaintoja uusista ilmiöistä/hiukkasista ei saada. Tällöin voi olla hankala myöskään perustella tulevien laitteiden tarvetta. Tietokoneiden kehityksen myötä vaativien ennusteiden laskeminen teorioista on helpottunut. Tätä kutsutaan laskennalliseksi tutkimukseksi. (Joskus laskennallista tutkimusta kutsutaan jopa tieteen kolmanneksi tukipilariksi kokeiden ja teorian rinnalla.) 73

10 Fysiikan tutkimuksesta Fysiikka ei ole valmis ja sen vuoksi tarvitaan tieteellistä tutkimusta lisäämään tietoa maailmasta. Fysiikan tutkimusta tehdään erityisesti yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa. Osa on tietoa lisäävää perustutkimusta ja osa käytännön sovelluksiin tähtäävää tutkimusta. Fysiikan tutkimusta tehdään useimmiten tutkimusryhmissä, joiden koko vaihtelee muutamasta henkilöstä jopa satoihin. Tutkimusryhmä erikoistuu yleensä jollekin tietylle fysiikan alalle ja pyrkii olemaan tällä alalla maailman parhaimmistoa. Koska erikoistumisaloja on runsaasti (ja niitä tulee lisää), yksikään yliopisto tai tutkimuslaitos ei voi sisältää kaikkia mahdollisia fysiikan aloja. Yliopistoissa fysiikan tutkimusryhmien vetäjänä toimii yleensä professori (tai professoreja). Ryhmässä voi olla eritasoisia henkilöitä, kuten perustutkinto-opiskelijoita (ei vielä FM-tutkintoa), tohtorikoulutettavia (FM) ja tohtoreita (FT). (FM=filosofian maisteri, FT=filosofian tohtori.) Fysiikan tutkimusta voi siis päästä tekemään samalla kun opiskelee. 74

11 Ryhmät julkaisevat tutkimustuloksensa kansainvälisissä tieteellisissä lehdissä (lähes aina englanniksi). Julkaiseminen on tutkimuksen kulmakivi, koska se on keino saattaa tulokset muiden tutkijoiden nähtäville ja samalla muut tutkijat pääsevät arvioimaan tulosten luotettavuutta. He pystyvät myös toistamaan tulokset niin halutessaan. Näin tiede pyrkii olemaan avointa, perusteltua ja toistettavaa. Fysiikka ja tiede yleensäkin on kansainvälistä ja tutkijat käyvät usein konferensseissa ja tapaamisissa, jotka ovat hyvä keino tavata muita saman alan tutkijoita ja käydä mielenkiintoisia keskusteluja. Ryhmät tekevät usein kansainväistä yhteistyötä yhteisten tutkimusprojektien ja tutkijavierailujen muodossa. Fysiikan tutkimuksen tekeminen toimii kaikkialla lähes samalla tavalla ja sen vuoksi tutkimuksen tekeminen missä tahansa onnistuu (mikäli siis laitteet ja muut puitteet ovat kunnossa). Tutkijavierailuihin ja työskentelyyn ulkomailla kannustetaan, mikäli tavoitteena on yliopistoura fysiikan parissa. Nykyiset ja tulevat fysiikan edistysaskeleet ja läpimurrot tehdään todennäköisimmin juuri tutkimusryhmissä. Polku tieteen tekemisen maailmaan kulkee tutkimusryhmien kautta. Tämä kannattaa pitää mielessä erityisesti jos haluaa yliopistouralle. 75

12 Merkittäviä fyysikoita ja heidän saavutuksiaan Fysiikkaa voidaan hahmottaa myös merkittävien fyysikoiden saavutusten kautta, mikä täydentää aiemmin esillä ollutta (lyhyttä) fysiikan historiaa, jossa keskityttiin modernin fysiikan keksimiseen johtaneeseen kehityskulkuun. Arkhimedesta (n ekr.) voitaneen pitää ensimmäisenä fyysikkona. Keksi Arkhimedeen lain. Galileo Galilei ( ) otti käyttöön kokeellisen metodin ja esitti tuloksensa matemaattisesti, luoden näin tieteellisen menetelmän, joka on vieläkin fysiikan perusta. Isaac Newton ( ) kehitti liikkeen lakeina tunnetut Newtonin lait (3 kpl), Newtonin gravitaatiolakina tunnetun painovoimalain sekä vaikutti merkittävästi optiikan kehitykseen. Newtonia pidetään merkittävimpänä fyysikkona kautta aikojen Albert Einsteinin ohella. Kuva. Isaac Newton. Lähde: Wikipedia.

13 James Clerk Maxwell ( ) yhdisti sähköisten ja magneettisten ilmiöiden kuvailun yhtenäiseksi sähkömagneettisen kentän teoriaksi, jota kuvaavat Maxwellin yhtälöt. Myös valon ymmärrettiin olevan sähkömagneettista säteilyä. Max Planck ( ) onnistui kehittämään mustan kappaleen säteilylle oikean kaavan (v. 1900) olettamalla energian esiintyvän kvantittuneena (epäjatkuvana) suureena. Tämä oli ensimmäinen kerta, kun idea kvantittumisesta nousi esiin ja se oli erityisen tärkeä teoreettinen virstanpylväs kehityksessä, joka huipentui kvanttimekaniikan syntymiseen. Planckille myönnettiin fysiikan Nobel 1918 energian kvantittumisen keksimisestä. James Clerk Maxwell. Lähde: Wikipedia. Max Planck. Lähde: Wikipedia. 77

14 Ernest Rutherford ( ) esitti, että atomissa täytyy olla pieni ydin, jonne lähes koko atomin massa on keskittynyt. Hän päätteli näin tekemänsä kokeen perusteella, jossa alfahiukkasia (He-ydin) ammutaan ohueen kultakalvoon ja katsotaan mitä tapahtuu. Ennen tätä uskottiin, että atomin massa on tasaisesti jakautunut koko atomiin ja siksi oletettiin alfahiukkasten menevän atomin läpi lähes suuntaansa muuttamatta. Aiemmin atomeissa ei siis uskottu olevan tiheitä massakeskittymiä, joista alfa-hiukkaset olisivat voineet muuttaa suuntaansa. Kuitenkin kokeessa havaittiin joidenkin alfa-hiukkasten muuttavan suuntaansa niin, että ne kimposivat jopa takaisin tulosuuntaansa. Kokeesta pääteltiin, että suurin osa atomin massasta on kerääntynyt samaan paikkaan. Näin nykyinen kuva atomin rakenteesta, jossa on pieni tiheä ydin, jonka ympärillä elektronit ovat, sai alkunsa. Kuva: Rutherfordin koe. Yllä aiempi atomin malli, jossa positiivinen varaus olisi tasaisesti levinnyt atomiin. Alla Rutherfordin hahmottelema malli. Nuolet kuvaavat alfahiukkasten ratoja. Lähde: Wikipedia. 78

15 Niels Bohr ( ) kehitti v Bohrin malliksi kutsutun puoliklassisen atomimallin, joka esitti elektronit kiertämässä ydintä määrätyillä radoilla. Malli onnistui vedyn spektrien taajuuksien selittämisessä hyvin. Bohrin johtamassa Teoreettisen Fysiikan Instituutissa vieraili tai sai oppinsa suuri osa aikansa parhaista fyysikoista, mm. Werner Heisenberg, joka ensimmäisenä kehitti kvanttimekaniikan. Bohr oli muille fyysikoille oppi-isä ja näkyvä auktoriteetti kvanttimekaniikkaan liittyvissä asioissa. Hänen Albert Einsteinin kanssa käymänsä väittelyt kvanttimekaniikan filosofiasta ovat fysiikan kansanperinnettä. Bohr sai Nobelin fysiikan palkinnon 1922 atomien rakenteen ja niiden lähettämän säteilyn tutkimisesta. 79

16 Albert Einstein ( ) kehitti sekä suppeamman että yleisen suhteellisuusteorian, joista molemmat yksinäänkin olisivat uraauurtavia. Tämän lisäksi hän antoi selityksen valosähköiselle ilmiölle ja Brownin liikkeelle. Muista fyysikoista poiketen Einstein ei koskaan hyväksynyt kvanttimekaniikkaa ja erityisesti siihen liittyviä todennäköisyyksiä. Hän ilmeisesti ajatteli, että täytyy olla jokin syvempi todellisuus, joka käyttäytyy klassisella tavalla (ennustettavasti). Kuuluisissa väittelyissään Bohrin kanssa Einstein esitteli monia ajatuskokeita, joilla hän pyrki osoittamaan kvanttimekaniikan vääräksi. Bohr onnistui kuitenkin kumoamaan nämä väitteet yksi toisensa perään. Korostetaan vielä, että kvanttimekaniikan (tai laajemmin kvanttifysiikan) ennusteiden kanssa ristiriidassa olevia kokeellisia havaintoja ei ole koskaan löydetty. Sellaisen löytyminen olisi ehkäpä fysiikan historian suurin sensaatio. Huolimatta epäilevästä suhtautumisestaan kvanttimekaniikkaan, Einsteinia pidetään Newtonin ohella historian suurimpana fyysikkona. Einstein palkittiin fysiikan Nobelilla 1921 palveluksistaan teoreettiselle fysiikalle ja erityisesti valosähköisen ilmiön lain löytämisestä. 80

17 Werner Heisenberg ( ) kehitti ensimmäisenä kvanttimekaniikan. Ilmeisesti aika oli kypsä kvanttimekaniikalle, sillä useat henkilöt (Schrödinger, Dirac) julkaisivat lyhyen ajan sisään omia versioitaan kvanttimekaniikasta. Pian huomattiin, että erilaisista esitystavoista huolimatta ne olivat keskenään ekvivalentteja eli ennustivat samat asiat. Kvanttimekaniikalla on siis useita (matemaattisesti) samanarvoisia muotoiluja. (Heisenbergin muotoilu perustui matriiseille, mutta yleensä ensimmäiseksi esitellään funktioihin ( aaltofunktio ) perustuva muotoilu, koska se on helpommin hahmotettavissa.) Heisenberg kehitti myös kvanttimekaniikassa käytettävän Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen. Hän sai fysiikan Nobelin (v. 1932) kvanttimekaniikan kehittämisestä. 81

18 Erwin Schrödinger ( ) kehitti (aalto)funktioihin perustuvan kvanttimekaniikan esitystavan v Kvanttimekaniikan perusyhtälö on nimetty hänen mukaansa Schrödingerin yhtälöksi. Schrödingerin kehittämä menetelmä perustui fyysikoille tuttuihin käsitteisiin (funktiot, derivointi, ), mikä helpotti sen omaksumista. (Toisinaan Schrödingerin menetelmästä käytetään nimistystä aaltomekaniikka, koska siinä keskeinen objekti on "aaltofunktio.) Koska kvanttimekaniikassa on kysymys uudenlaisista perusperiaatteista, joiden ennuste- ja selityskyky atomifysiikan ilmiöissä oli vertaansa vailla, se hyväksyttiin käytännössä välittömästi ja sitä alettiin soveltamaan kaikkiin mahdollisiin tilanteisiin. Schrödinger palkittiin uusista, hedelmällisistä atomiteorian muotoiluista fysiikan Nobelilla 1933, yhdessä Paul Diracin kanssa. 82

19 Paul Dirac ( ) kehitti kvanttimekaniikasta uuden, yleisen, matemaattisesti elegantin muotoilun, jonka ansiosta aiempien muotoilujen erot menettivät merkitystään. Hän jakoi tästä fysiikan Nobelin 1933 Schrödingerin kanssa. Yllä mainitut kvanttimekaniikan muotoilut eivät sisällä suppeamman suhteellisuusteorian vaatimuksia eli eivät toimi suurilla energioilla. Dirac pyrki yhdistämään suppean suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan. Tuloksena oli Diracin yhtälö, joka sallii hiukkasille suuret energiat ja se ennusti mm. antihiukkasten olemassaolon. 83

20 Välihuomioita Välihuomautuksena voidaan todeta, että kvanttimekaniikan synty tapahtui Euroopassa. Tuolloin Eurooppa, ja varsinkin Saksa, oli vielä fysiikan keskus. Kvanttimekaniikka huomattiin heti hyvin tehokkaaksi keinoksi atomimaailman ilmiöiden kuvailuun ja sitä sovellettiin nopealla tahdilla lukuisiin tilanteisiin. Koska tiedonkulku mantereiden välillä oli hidasta ja saksalaiset lehdet (saksaksi) olivat pääasiallinen julkaisufoorumi, amerikkalaiset fyysikot joutuivat odottamaan uusimpia tietoja yli kuukauden, joka oli juuri tuossa hektisessä vaiheessa liian kauan, jotta he olisivat ehtineet mukaan kehityksen ensimmäiseen aaltoon. Kuitenkin varsin pian amerikkalainen fysiikka, joka keskittyi käytännön tuloksiin eikä juuri välittänyt esimerkiksi filosofoinnista tai kvanttimekaniikan tulkinnoista, nousi johtavaan asemaan fysiikan maailmassa 1930-luvulla. Toinen kiintoisa seikka on kvanttimekaniikan kehittäjien nuori ikä. Sen pääkehittäjät olivat vuotiaita, paitsi Schrödinger, joka oli hieman alle 40-vuotias. (Ehkäpä nuoret sukupolvet pystyivät omaksumaan helpommin vallankumoukselliset uudet ideat, joita tarvittiin uusien luonnonlakien löytämiseksi.) 84

21 Ennen kvanttimekaniikan kehittämistä (1925) fysiikan kokeellinen puoli oli teoreettista huomattavasti edellä. Oli paljon kokeellista dataa, jota ei oltu pystytty (teoreettisesti) järjestämään ymmärrettäväksi kokonaisuudeksi. Kvanttimekaniikka muutti asian. Sen avulla atomimaailman ilmiöille saatiin luja teoreettinen pohja, jonka avulla pystyttiin ymmärtämään vanhoja ja ennustamaan uusia ilmiöitä. Samalla luotiin täysin uusia fysiikan alueita, kuten ydin- ja hiukkasfysiikka. [Alkeishiukkasfysiikassa sama toistui 1950-luvulla kun hiukkaskiihdyttimillä löydettiin suuri määrä uusia aiemmin tuntemattomia hiukkasia. Tällöinkin kokeet olivat selkeästi teoriaa edellä, koska ei ymmärretty uusien hiukkasten merkitystä. Standardimalli (ja sen osa kvarkkimalli) muutti tilanteen teorian eduksi. Sen viimeinen hiukkasennuste Higgsin bosoni (joka ennustettiin noin 50 vuotta sitten) löydettiin vasta nyt ( ). Lisäksi on olemassa suuri määrä teorioita ennustamassa ja ennakoimassa uutta fysiikkaa, jonka oikeellisuuden arvioimiseksi tarvittaisiin kokeita. ] 85

22 (Seuraavat kolme sivua sisältävät suhteellisen vaikeaa asiaa, jonka tarkoituksena on tarjota yleiskuva miten vuorovaikutuksia kuvaavat teoriat kehittyivät. Yksityiskohtia ei tarvitse muistaa kokeessa.) Aiemmin mainitulla Diracin yhtälöllä ymmärrettiin aineellisten hiukkasten (esim. elektronien) käytös mikromaailmassa. Samalla alettiin kiinnittää entistä enemmän huomiota vuorovaikutusten tarkempaan kuvailuun. Atomien tavanomaisten ilmiöiden käsittelyyn riittävässä (epärelativistisessa) kvanttimekaniikassa hiukkasten väliset (sähkömagneettiset) vuorovaikutukset otetaan huomioon potentiaaleilla, jotka ovat samanlaisia kuin klassisessa fysiikassa. (Potentiaaleista voidaan klassisessa sähkömagnetismissa laskea vaikkapa sähkökenttä, josta vuorostaan voidaan laskea hiukkaseen vaikuttava sähköinen voima.) Tämä tahtoo sanoa, että vaikka hiukkaset käsiteltiin kvanttimekaanisesti, niiden välisiä vuorovaikutuksia kuvattiin edelleen klassisilla käsitteillä. Havaittiin, että tarkempi vuorovaikutusten kuvailu vaatisi myös itse vuorovaikutusten kvantittamista. 86

23 Tuossa vaiheessa tunnettiin vain sähkömagneettinen ja gravitaatiovuorovaikutus. Koska gravitaatio on äärimmäisen heikko voima mikromaailmassa, ainoa tarvittava voima oli siis sähkömagneettinen vuorovaikutus. Pyrittiin siis kvantittamaan klassinen sähkömagneettinen vuorovaikutus tai toisin sanoen kvantittamaan klassinen sähkömagneettinen kenttä. Erikoistapauksena voidaan ajatella pelkkää sähkökenttää (joka aiheuttaa voiman vaikkapa protonin ja elektronin välille vetyatomissa). Itse prosessiin ei ole syytä syventyä, koska se tuotti fyysikoillekin pitkään suuria ongelmia. Käytännössä tässä on kysymys siitä miten (klassisesti kuvatulle) sähkömagneettiselle kentälle annetaan hiukkasominaisuuksia, eli miten kentän voidaan ymmärtää koostuvan fotoneista. Tällöin vuorovaikutukset voidaan ymmärtää (virtuaalisten) fotonien vaihtona. Kun kenttä kvantitettiin, ongelmaksi muodostuivat käytännön laskuihin ilmaantuvat äärettömät suureet. Näitä ilmeni esim. vuorovaikutuksen välittymismekanismissa kun virtuaalinen fotoni muuttuu virtuaaliseksi hiukkas-antihiukkaspariksi ja takaisin virtuaaliseksi fotoniksi. Prosessi voi tapahtua äärettömän monella eri tavalla johtaen äärettömyyksiin laskuissa. 87

24 Ongelmat ratkesivat vasta sodan jälkeen (kun suurella osalla fyysikoita oli taas aikaa paneutua tieteellisiin ongelmiin). Äärettömyyksiä vastaan kehitettiin tekniikka nimeltä renormalisaatio, jossa tavallaan annetaan äärettömien suureiden kumota toisensa, jolloin saadaan äärellinen tulos. Näin saatiin sähkömagneettisen kentän kvanttiteoria, kvanttielektrodynamiikka (QED, quantum electrodynamics). Vaikka renormalisaatio voi olla matemaattisesti epämääräistä, sen avulla saadaan erinomaisia laskennallisia ennusteita. QED on fysiikan tarkin teoria ja sen eräät ennusteet ovat mittausten kanssa sopusoinnussa yli 10 merkitsevän numeron tarkkuudella. Tarkkuus on hämmästyttävä. QEDiä mallina käyttäen saatiin myöhemmin muotoiltua myös värivuorovaikutusta kvarkkien välillä kuvaava kvanttikromodynamiikka (QCD, quantum chromodynamics). Heikko voima ja sähkömagneettinen vuorovaikutus on sittemmin pystytty yhdistämään yhden teorian alle niin kutsutuksi sähköheikkovoimaksi. Fyysikot haluaisivat lopulta kehittää yhden ainoan teorian, joka yhdistäisi kaikki neljä tunnettua vuorovaikutusta. Tämä olisi ns. Kaiken Teoria. 88

25 Richard Feynman ( ) oli yksi kvanttielektrodynamiikan kehittäjistä. Hänen kehittämänsä Feynmanin diagrammit ovat laajassa käytössä varsinkin hiukkasfysiikassa ja ne kuvaavat minkälaisia perusprosesseja vuorovaikutukseen voi sisältyä. Feynman on yksi tunnetuimpia sodanjälkeisen ajan fyysikoita. Hänen kirjalliseen tuotantoonsa fysiikkaan liittyen kannattaa tutustua. Hän sai fysiikan Nobelpalkinnon 1965, yhdessä muiden QED:tä kehittäneiden fyysikoiden (Schwinger ja Tomonaga) kanssa. 89

26 Murray Gell-Mann (1929-) kehitti kvarkkimallin 1964, jolla selitettiin hiukkaskiihdyttimillä havaitut sadat uudet hiukkaset kvarkkien erilaisina yhdistelminä. Hän sai fysiikan Nobelin 1969 alkeishiukkasten ja niiden vuorovaikutusten luokittelusta. Steven Weinberg (1933-) yhdisti (Abdus Salamin ja Sheldon Glashow n kanssa) heikon ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen saman teorian alle, josta hän jakoi fysiikan Nobelin 1979 yllä mainittujen henkilöiden kanssa. Peter Higgs (1929-) ehdotti massan selittävää mekanismia 1960-luvulla ja hänen mukaansa on nimetty mekanismin välittäjänä toimiva Higgsin bosoni. Hänelle myönnettiin fysiikan Nobel v yhdessä Francois Englertin (1932-) kanssa tästä teoreettisesta ennusteesta. 90

27 Tämän hetken muita tunnettuja teoreettisia fyysikoita ovat esim. Stephen Hawking (1942-) sekä Edward Witten (1951-). Hawking on työskennellyt kosmologisten ongelmien parissa ja kirjoittanut fysiikan populaariteoksia, kuten Ajan lyhyt historia. Witten on uuden fysiikan, säieteorioiden, supersymmetrian ja kvanttigravitaation tutkija. Toki pitää taas muistaa, että tällaista uutta fysiikkaa ei ole vahvistettu kokeellisesti. Henkilöiden esittelyssä painotus on ollut teoreettisella puolella ja lähes jokainen esitellyistä on ollut teoreettinen fyysikko. Osasyynä tähän on tämän kurssin aihealueen painottuminen hiukkasfysiikkaan, jossa kokeelliset löydöt ovat hiukkaskiihdytinten myötä olleet suuren joukon yhteistyötä, jolloin yksittäistä henkilöä ei voi nostaa muiden yläpuolelle. Teoreettiset läpimurrot taasen ovat olleet lähinnä yksittäisten henkilöiden saavutuksia. Kvanttimekaniikan syntyyn vaikuttaneiden henkilöiden jälkeen painotus on ollut alkeishiukkasfysiikassa, joka ei tietenkään ole sama kuin koko fysiikka. Hiukkasfysiikka on kuitenkin fysiikan syvällisin osa-alue, koska siellä mennään niin syvälle kuin mahdollista tiedon etsinnässä. Hiukkasfysiikka kertoo mitä tiedemiehet ovat saaneet selville luonnon perimmäisestä toiminnasta tähän mennessä. 91

28 Monia muitakin kiintoisia fysiikan aloja ja ihmisiä voisi esitellä, kuten esimerkiksi John Bardeen ( ), joka on ainoa henkilö joka on saanut fysiikan Nobelin kahdesti, 1956 transistorin keksimisestä ja 1972 suprajohtavuuden teorian kehittämisestä. Tai Marie Curie ( ), joka sai fysiikan Nobelin 1903 radioaktiivisuuden tutkimuksista sekä kemian Nobelin 1911 radiumin ja poloniumin löytämisestä ja radiumyhdisteiden tutkimuksista. Myös kokeelliselta puolelta voisi mainita vaikkapa Charles Wilsonin ( ), joka kehitti hiukkasten havaintolaitteita (sumukammion) ja sai fysiikan Nobelin 1927 ja Ernest Lawrencen ( ), joka kehitti hiukkaskiihdyttimiä (syklotronit) ja sai tästä Nobelin Kaikkien kiinnostavien osa-alueiden pioneereja ei voi tässä mainita. Fysiikka kokonaisuutena on laaja tieteenala ja fyysikkoyhteisö on laajentunut valtavasti 100 vuodessa. Vuonna 1900 se oli n. 1500, kun 1990-luvulla se oli n , noin satakertainen määrä. 92