Fysiikan maailmankuva 2015 Luent 2/Juha Vaara juha.vaara@iki.fi (Merkittävä sa esitettävästä materiaalista n peräisin FT Teemu S. Pennaselta) Sisältö Kkeet, teria, mallinnus Maailmankaikkeudessa vaikuttavat vimat ja niiden vaikutustapa 1
KOKEET, TEORIA, MALLINNUS Mittaamisen ja terian yhteispeli Teriankehitys: Systemaattinen +intuitiivinen Lasketaan terian seuraukset Verrataan ketulksiin Mallintaminen Teria + vahvistus! Laki + kattavuus! Periaate Fysiikan kkeellis-tereettisesta menetelmästä Fysiikka n kkeellis-tereettinen lunnntiede. Se vaatii sekä kkeita, jtka tuttavat havaintja maailmasta että teriita, jtka yhdistävät kkeelliset havainnt yhtenäisiksi kknaisuuksiksi. Hyvin harva nykyfyysikk n sekä kkeilija että tereetikk. Kullakin fysiikan tutkimusalueella tki tarvitaan sekä kkeilijita että terian kehittäjiä. Kkeellisessa fysiikassa suunnitellaan ja tehdään mittauksia ja kehitetään laitteita ja uusia mittausmenetelmiä. Mittaukset analysidaan ja tulkset raprtidaan tieteellisissä lehdissä (melkein aina englanninkielisiä). Kkeellinen tutkimus pyrkii tuttamaan mittauskhdetta kskevia havaintja. Tereettisessa fysiikassa ei lla suraan tekemisissä mittalaitteiden kanssa, mutta tki llaan tietisia kkeilijiden saavuttamista havainnista, jtka pyritään kkamaan teriiksi ja ymmärtämään sana suurempaa kknaisuutta. Tereettisista malleista jhdetaan tulksia ja uusia ilmiöitä, jita kkeilijat vivat pulestaan mitata. Kkeiden ja terian yhteispeli n fysiikan kulmakivi. Sitä kutsutaan myös tieteelliseksi menetelmäksi. 4 2
On jitakin tereettisen fysiikan sa-alueita (kuten vaikkapa mustien aukkjen tutkimus) jista n vaikeaa tai mahdtnta saada suraa kkeellista tieta tai päästä suraan tutkimaan khdetta. Myöskin fysiikan perusteriiden laajennukset ( uusi fysiikka) n alue, jssa liikutaan nykyisten kkeiden saavuttamattmissa. On huminarvista, että uusia teriita ei tulla hyväksymään ikeiksi ennen kuin niille saadaan kkeellinen vahvistus. Ne vat tässä vaiheessa eräänlaisia mahdllisuuksia, eivät vahvistettua fysiikkaa. On ylipäänsä mahdtnta tdistaa teriaa lpullisesti ikeaksi. Parhaimmillaan teria n spusinnussa kaikkien siihen mennessä tunnettujen kkeellisten havaintjen kanssa. Yksikin terian ennusteista pikkeava, lutettavaksi arviitu ketuls tuttaa tarpeen täydentää teriaa tai krvata se paremmalla terialla. Cernin LHC:llä (Large Hadrn Cllider, käynnissä nykyisin) saatavat tulkset vivat antaa suuntaa uudelle fysiikalle. Mahdlliset havainnt auttavat kulkemaan ikeaan suuntaan ja hylkäämään sellaiset teriat jtka vat ristiriidassa havaintjen kanssa. Vi myös käydä niin, että havaintja uusista ilmiöistä/hiukkasista ei saada. (Tällöin vi lla hankala myöskään perustella tulevien laitteiden tarvetta.) 5 Mallintaminen: Malli n tdellista tutkimuskhdetta yksinkertaisempi ja helpmpi vi lla tereettinen, laskennallinen tai kkeellinen esim. pallmainen lehmä sisältää leelliset vaikuttavat seikat ilman tarpeettmia, mnimutkaistavia yksityiskhtia riskit: liian yksinkertainen, liian mnimutkainen 3
Analyyttinen vs. laskennallinen lähestymistapa analyyttinen! kynä ja paperi, matemaattinen lauseke, jhn vi sijittaa eri parametriarvja Ilmeinen funktinaalinen riippuvuus eri tekijöistä, esim. lämpötilasta tms. liian yksityiskhtainen malli! ei vida / sata ratkaista analyyttisesti algritmi ja ilmiöön vaikuttavat perusvurvaikutukset tiedssa! laskennallinen simulaatimalli (yleensä tietkneella) simulinti tuttaa valittuja alkuarvja vastaavan lukuarvn, alkuarvja variimalla vidaan saada selville yleinen käyttäytyminen funktinaaliset riippuvuudet ei-ilmeisiä simulinti = cmputer experiment Mallintaminen tarjaa tereetiklle: terian testaaminen ja uusien teriiden kehittäminen what if periaatteella kkeelliselle fyysiklle: krvaa vaikeita tai vaarallisia kkeita siinä välissä: laskennallinen fysiikka n klmas tapa tehdä fysiikkaa, kkeellisen ja tereettisen tavan lisäksi 4
MAAILMANKAIKKEUDESSA VAIKUTTAVAT VOIMAT 4 perusvurvaikutusta gravitaati (Isaac Newtn, 1642-1727) vima yleisesti: ( ) F = dp dt = d mv dt = m dv dt = ma elegantteja ja yksinkertaisia lakeja! seurauksien laskeminen tuttaa suuren jukn kkeisiin ja havaintihin verrattavissa levia tulksia matemaattinen laki + kvalitatiivinen selitys! ilmiön ymmärtäminen humi matematiikan ja fysiikan ersta: Matematiikka tutkii kaikkia mahdllisia tereettisia rakenteita riippumatta siitä, esiintyykö näitä lunnssa vai ei.) Fysiikan erttaa matematiikasta sen kkeellinen lunne. Tereettiset ennusteet täytyy vida kkeellisesti testata, jtta nähdään nk kyse aidsta lunnnilmiöstä vai ainastaan lgisesta knstruktista, mielikuvituksen tutteesta. Esimerkki fysiikan lain kehittymisestä: Gravitaatin lyhyt histria Tyk Brahe (1546-1601): havaintja planeettjen liikkeistä! perustyö jka mahdllisti teriiden testaamisen Jhannes Kepler (1571-1630): Brahen apulainen, yrityksen ja erehdyksen menetelmä havaintjen selittämiseksi. Esim. ympyrärata ei yhteenspiva Brahen tulsten kanssa " K I: ellipsirata, Aurink tisessa plttpisteessä K II: planeetan ja auringn yhdysjana pyyhkii vakiajassa aina vakisuuruisen pintaalan K III: kiertajan neliön ja sen rataellipsin isakselin kuutin suhde n samansuuruinen kaikille planeetilla T 2 a 3 = vaki 5
Kepler: planeettjen tullin tunnettu liike -- ei universaali teria Galile Galilei (1564-1642): putamisliikkeen kkeellinen tutkimus, inertia: kappale jatkaa liiketilaansa, mikäli siihen ei vaikuta vimia, esim. pysyy levssa tai jatkaa suraviivaisessa liikkeessä. Newtn yhdisti taivaallisen ja maanpäällisen! universaali teria F = m dv dt npeuden muuttamiseksi tarvitaan vima, minkälainen? Keplerin pinta-alalaki! Newtnin gravitaatilaki! Jupiterin kuut ja Jupiter planeetat ja Aurink!! ilmiö n yleisempi kuin vain auringn ja planeettjen välinen! kaikkien kappaleiden välillä! gravitaativakin G kkeellinen määritys Newtn! taivaanmekaniikka, Galilen pudtuskkeet, vurvesi-ilmiö uusia lakeja: Olaus Remer (1644-1710) Jupiterin kuut pikkevat hiukan! äärellinen valnnpeus! Jhn Adams (1819-1892) ja Urbain Le Verrier (1811-1877): Saturnus ja Jupiter Uranus??! Neptunus! Periheli=planeetan radan lähinnä Aurinka leva khta 1900-luku; Merkuriuksen periheli: Newtn: 527 kaarisekuntia/ vusisata, havainnt: 565 kaarisekuntia/vusisata?? $ Albert Einstein (1879-1955): yleinen suhteellisuusteria (1915) 6
Fysiikan tutkimusta parhaimmillaan: matemaattisesti mutiltu laki keksitään selittämään ketulksia yhteenspivuus tutkitaan kaikkien tunnettujen havaintjen kanssa laki selittää ketulkset suurimmaksi saksi jkin pieni yksityiskhta jää ilman selitystä lain ja tun pienen pikkeaman perusteella löydetään uusia lakeja ja/tai ennustetaan uusia ketulksia Tieteellisen vallankumuksen jälkeen ( 1700-1895) Uudella kkeellis-tereettisella menetelmällä tutkittiin ja löydettiin paljn uusia lunnnilmiöitä. Tullin mutillut lait vat useimmiten nykyisinkin vimassa ja käyttökelpisia (pätevyysalueillaan, täydellisempien lakien erikistapauksina). Saavutuksia ja teriita: Sähkön ja magnetismin tutkimus (sähkömagnetismi), lämmön tutkimukset (termdynamiikka), valn tutkimukset (ptiikka), Näillä teriilla (yhdessä mekaniikan kanssa) hallittiin makrskppiset ilmiöt - eli ilmiöt ihmisen kklukassa. Fysiikan kehitys yhdessä tekniikan kanssa tutti uusia keksintöjä, esim. plttmttrin (ja sillä kulkevat autt), sähkön hyötykäytön, lennättimen, radilähetykset, ja npeutti tellistumista humattavasti. (Nämä vat teknisiä svelluksia, mutta antavat mielikuvaa tun ajan maailmasta ja siitä mihin tun ajan tietämys riitti.) 14 7
Kaikkea 1800-luvun lppuun mennessä kehitettyä fysiikkaa santaan klassiseksi fysiikaksi. Klassisen fysiikan maailmankuvaa santaan usein mekanistiseksi ja deterministiseksi: kaikkien kappaleiden liikkeet uskttiin vitavan jhtaa Newtnin laeista ja kaikki vimat jk sähkömagnetismista tai Newtnin gravitaatiteriasta. Kaiken uskttiin levan selitettävissä ja ennustettavissa ja vain mittausten tarkkuuden uskttiin rajittavan tätä. Oli lunnllista lettaa näin, kska tullin ei llut syytä uska muuta. Kaikki näytti levan yksinkertaista, mekaanista. Myös mni tiedemies uski fysiikan levan jatkssa vain tarkentuvia mittauksia ja tunnettujen teriiden sveltamista uusiin tilanteisiin. 15 Mdernin fysiikan (suhteellisuusterian ja kvanttimekaniikan) myötä, viime vusisadan alun jälkeen, n tapahtunut fysiikan balkanisituminen: hajautuminen erikistumisaliksi: alkeishiukkasfysiikka, ydinfysiikka, atmifysiikka, mlekyylifysiikka, kndensidun materian fysiikka, bifysiikka, avaruusfysiikka, tähtitiede, ksmlgia,! inflaati Tive(?): Fysiikan lakien ja periaatteiden (1) yleisyys ja syvällisyys kasvaa inflaatita npeammin ja ymmärrys kasvaa samalla kun n tarpeen ppia entistä vähemmän yksityiskhtia. Esim. Kpernikuksen aurinkkeskeinen malli krvasi Ptlemaiksen paljn mnimutkaisemman maakeskeisen järjestelmän. Uusi teria siis usein (2) yksinkertaisempi kuin vanha, esim. arabialainen vs. rmalainen lukujärjestelmä Uusi teria vi myös (3) yhdistää kaksi tai useampaa aikaisempaa teriaa, esim. sähkön + magnetismin teriat! sähkömagnetismi, ja 100 vutta myöhemmin sähkömagnetismi + heikk vurvaikutus! sähköheikk vurvaikutus 8
sähkömagnetismi! atmien, mlekyylien ja kiinteiden aineiden rakenne. 1 qq' Charles Culmb (1736-1806): F = 4πε 0 r 2 miksi samanmutinen kuin gravitaati?? jk attrakti tai repulsi, gravitaati aina attrakti James Clerk Maxwell (1831-1879): Maxwellin yhtälöt! sähkömagneettiset aallt ( ) ( ) 2 Ε z x,t = 1 2 Ε z x,t x 2 c 2 t 2 Esim. lin. plarisitunut sähkömagneettinen aalt: 9
gamma- ja röntgensäteily, val, radiaallt, lämpösäteily (Heinrich Hertz,1887) quantum electrdynamics, QED sähkömagnetismin kvanttikenttäteria (mm. Feynman) numeerisesti tarkimpia ennusteita tuttava fysiikan teria! materian ja säteilyn vurvaikutuksen kuvaus vahva vurvaikutus atmiydinten prtnien ja neutrnien välillä (ja sisällä!). Kvanttiväridynamiikka (quantum chrmdynamics, QCD) heikk vurvaikutus alkeishiukkasten välisissä reaktiissa, ei suurta rlia tavanmaisessa fysiikassa sähkömagnetismi + heikk ydinvima! sähköheikk vurvaikutus (Glashw, Salam, Weinberg, 1961-1967) vahva + sähköheikk vurvaikutus! hiukkasfysiikan standardimalli (1970-luvun alku) tämänhetkinen fundamentaalisen fysiikan työhevnen vahva, heikk ja sähkömagneettinen vurvaikutus alkeishiukkasten avulla spusinnussa kvanttimekaniikan ja suppeamman suhteellisuusterian kanssa Higgsin bsni aiheuttaa hiukkasten massan havaittu 4.7.2012 kvanttikenttäteriaksi (Grand Unified Thery, GUT) useita kandidaatteja 10
Kaiken teria (Thery f Everything, TOE)? kaikki neljä perusvurvaikutusta yhdessä mm. säieteriat, suuri lukumäärä ulttuvuuksia, jtka kietutuvat meidän tuntemamme ilmiömaailman mittakaavassa vain 4-ultteiseksi aika-avaruudeksi Fysiikan lait, liikelait, esim. differentiaaliyhtälöitä Klassisen fysiikan trajektrit Kvanttimekaniikan tdennäköisyydet eri tiljen miehityksille Alkutilan tai yleisemmin reunaehtjen kiinnittäminen pimii tteutuneen universumin aikakehityksen kaikista liikelakien mahdllistamista Miten lunnnvimat vaikuttavat? välittäjähiukkasten vaiht: sähkömagnetismi ftni heikk vurvaikutus W- ja Z-bsnit vahva vurvaikutus gluni gravitaati gravitni?? 11
psyklgisesti erilaisia, matemaattisesti ekvivalentteja tulkintja vimien synnylle ei-lkaali kaukvaikutus: gravitaatilaki antaa viman jka aiheuttaa tisaalla levalle kappaleelle kiihtyvyyden (Miten? Ei viiveetön!) kenttäteria: vurvaikutuksen alkuperä tai syy (esim. massa, varaus) aiheuttaa avaruuden jkaisessa pisteessä levan minaisuuden, kentän tai ptentiaalin! kentässä levan hiukkasen kkema vima suuntaan jhn kenttä muuttuu npeimmin plkuteria: kappaleen liike visi paikasta A paikkaan B visi tapahtua lukemattmia erilaisia reittejä pitkin, pienimmän aktin (engl. actin) reitti tteutuu 12