Esipuhe

Nämä luennot on kirjoitettu niille, joiden tiedot modernista tieteestä ovat vähäiset tai olemattomat. Kokonaisuutena ne tarjoavat lyhyen yhteenvedon fysiikassa viime vuosisadalla tapahtuneesta suuresta vallankumouksesta sekä niistä kysymyksistä ja mysteereistä, jotka tämä vallankumous on paljastanut. Tiede kertoo meille, kuinka voimme ymmärtää maailmaa paremmin. Se osoittaa myös valtavan tietämättömyytemme.

Ensimmäinen luento on omistettu Albert Ein­steinin yleiselle suhteellisuusteorialle, ”kaikkein kauneimmalle teorialle”. Toinen luento koskee kvanttimekaniikkaa, jossa modernin fysiikan hämmentävimmät puolet piilottelevat. Kolmas on omistettu kosmokselle, asustamamme maailmankaikkeuden arkkitehtuurille, ja neljäs sen alkeishiukkasille. Viides luento käsittelee kvanttipainovoimaa, meneillään olevia yrityksiä rakentaa synteesi 1900-luvun tärkeimmistä löydöistä. Kuudes koskee todennäköisyyksiä ja mustien aukkojen lämpösäteilyä. Kirjan viimeinen osa palaa meihin ihmisiin ja kysymykseen, millaisena olemassaolomme näyttäytyy fysiikan kuvaileman oudon maailmankuvan valossa.

Luennot ovat laajennettuja versioita tekijän artikkelisarjasta, joka on ilmestynyt Sole 24 Ore -lehden sunnuntailiitteessä. Haluaisin kiittää erityisesti Armando Massarentia, joka on ansioituneesti avannut liitteen kulttuurisivut tieteelle. Sen ansiosta on ollut mahdollista valaista tieteen olennaisen tärkeää roolia kulttuurissamme.

 

 

Ensimmäinen luento: Kaikkein kaunein teoria

Albert Einstein vietti vuoden nuoruudestaan vetelehtimällä päämäärättömästi. Ihminen ei kehity, jol­lei hän välillä ”tuhlaa” aikaa. Teini-ikäisten vanhemmat kuitenkin usein unohtavat tämän. Einstein oli matkustanut Paviaan perheensä luo keskeytettyään opintonsa Saksassa, sillä hän ei sietänyt sikäläisen koulun mekaanista opetusta. Tuolloin 1900-luvun alkuvuosina Italia oli oman teollisen vallankumouksensa alkuvaiheessa. Einsteinin isä, joka oli insinööri, asensi ensimmäistä sähkölaitosta Padovan tasangoilla. Albert luki Kantia ja kävi huvin vuoksi silloin tällöin luennoilla Pavian yliopistossa. Hän ei ollut yliopistossa kirjoilla eikä hänen tarvinnut huolehtia tenteistä. Näin syntyy vakavasti otettavia tiedemiehiä.

Myöhemmin Einstein kirjoittautui korkeakouluun Zürichissa ja uppoutui fysiikan opintoihin. Muutamia vuosia myöhemmin, vuonna 1905, hän lähetti kolme artikkeliaan aikansa arvovaltaisimpaan julkaisuun nimeltään Annalen der Physik. Jokainen niistä on Nobelin fysiikanpalkinnon arvoinen. Ensimmäinen artikkeleista osoittaa, että atomeja on todella olemassa. Toinen valaa perustuksen kvanttimekaniikalle, josta lisää seuraavassa luennossa. Kolmannessa hän esitteli ensimmäisen suhteellisuusteoriansa, jota nykyään kutsutaan suppeaksi suhteellisuusteoriaksi. Se valaisee, ettei aika kulu kaikille samalla tavalla. Identtiset kaksoset voisivat huomata, etteivät ole samanikäisiä, jos toinen heistä olisi matkustanut suurella nopeudella.

Einsteinista tuli odottamatta maineikas tutkija, ja hän alkoi saada työtarjouksia yliopistoista. Jokin suhteellisuusteoriassa kuitenkin häiritsi häntä. Välittömästi saamastaan suosiosta huolimatta teoria ei sopinut yhteen sen kanssa, mitä gravitaatiosta tiedettiin, siis siitä, miten esineet putoavat. Einstein havahtui tähän kirjoittaessaan yhteenvetoartikkelia teoriastaan. Hän alkoi miettiä, olisiko fysiikan isähahmon Isaac Newtonin painovoimalaki uudistamisen tarpeessa, jotta se sopisi yhteen uuden suhteellisuuden käsitteen kanssa. Hän uppoutui ongelmaan, jonka ratkaiseminen tulisi viemään kymmenen vuotta. Kymmenen vuotta kiihkeää tutkimusta, yrityksiä, virheitä, hämmennystä, erheellisiä artikkeleita, loistavia ideoita ja vääriä ideoita.

Lopulta marraskuussa 1915 Einstein saa julkaistuksi artikkelin, jossa on täydellinen ratkaisu: uusi painovoiman teoria, jota hän kutsuu yleiseksi suhteellisuusteoriaksi. Se on hänen mestariteoksensa. Suuren neuvostoliittolaisen fyysikon Lev Landaun mukaan kaikkein kaunein teoria.

Mozartin Requiem, Homeroksen Odysseia, Sikstiiniläiskappeli ja Kuningas Lear ovat kaikki todellisia mestariteoksia, jotka liikuttavat meitä syvästi. Niiden loistosta nauttiminen voi vaatia pitkää perehtymistä, mutta palkintona on puhdas kauneus. Eikä pelkästään kauneus vaan uusi näkökulma maailmaan. Saman tason mestariteos on Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria.

Muistan, miten innoissani olin, kun aloin ymmärtää siitä jotain. Se tapahtui kesällä auringonpaahteisella Condofurin rannalla Calabriassa. Olin viimeistä vuottani yliopistossa. Opiskeluun voi syventyä parhaiten lomalla, kun opetus ei häiritse. Luin kirjaa, jota hiiret olivat nakerrelleet kulmista, koska käytin sitä öisin hiirenkolojen tukkimiseen ränsistyneessä hippitalossa Umbrian kukkuloilla, jonne tapasin paeta Bolognan yliopistosta. Aika ajoin kohotin katseeni kirjasta kimaltelevaan mereen. Olin näkevinäni ajan ja avaruuden kaareutuvan Einsteinin kuvittelemalla tavalla. Se oli kuin taikuutta, aivan kuin ystävä olisi kuiskannut korvaani hämmästyttävän kätketyn totuuden, joka vetäisi todellisuuden esiripun auki ja paljasti yksinkertaisemman, syvemmän järjestyksen. Keksittyämme, että Maa on pyöreä ja pyörii kuin hullu hyrrä, olemme ymmärtäneet, ettei todellisuus ole sitä miltä näyttää. Aina kun todellisuudesta pilkahtaa esiin uusi puoli, se saa mielemme kuohumaan; jälleen putoaa uusi esirippu.

Lukuisten ymmärrystämme lisänneiden edistysaskelten joukossa Einsteinin suhteellisuusteoria on ehkä vertaansa vailla. Miksi?

Ensinnäkin siksi, että teoria on henkeäsalpaavan yksinkertainen. Sen idea tiivistettynä on seuraava.

Newton oli yrittänyt selittää, miksi esineet putoavat ja planeetat kiertävät radoillaan. Hän oli kuvitellut ”voiman”, joka vetää kaikkea aineellista puoleensa, ja kutsui sitä ”vetovoimaksi”. Tämä voima välittyi kaukaisten, tyhjyyden erottamien esineiden välillä tuntemattomalla tavalla, josta modernin tieteen isä oli haluton tekemään oletuksia. Newton oli myös olettanut, että kappaleet liikkuivat avaruudessa ja että avaruus oli suuri tyhjä tila, valtava laatikko, joka sulki sisäänsä maailmankaikkeuden. Suunnattoman suuri rakennelma, jonka halki kappaleet liikkuivat suoraan, kunnes jokin voima kaarsi niiden liikerataa. Newton ei osannut kuitenkaan sanoa mistä tämä ”avaruus”, hänen keksimänsä tila oli tehty.

Pari vuotta ennen Einsteinin syntymää kaksi suurta brittiläistä fyysikkoa, Faraday ja Maxwell olivat lisänneet Newtonin kalvakkaan maailmankaikkeuteen oleellisen ainesosan, sähkömagneettisen kentän. Se on todellinen ja kaikkialle levinnyt. Kenttä kantaa radioaaltoja, täyttää avaruuden, se voi aaltoilla ja värähdellä kuten vedenpinta ja se ”kuljettaa” sähkömagneettista voimaa. Sähkömagneettinen kenttä oli kiehtonut Einsteinia jo poikavuosista asti, kun se pyöritti hänen isänsä rakentamien generaattoreiden roottoreita. Pian hän ymmärsi, että sähkön tavoin gravitaationkin välittämiseen tarvitaan kenttä: ”gravitaatiokenttiä” täytyy olla kuten ”sähkökenttiäkin”. Hän päätti selvittää, kuinka tämä ”gravitaatiokenttä” toimii ja kuinka sitä voidaan kuvata yhtälöillä.

Tästä seurasi ennennäkemätön ajatus, oikea neronleimaus. Gravitaatiokenttä ei ole levittäytynyt avaruuteen, vaan avaruus on itse gravitaatiokenttä. Tämä on yleisen suhteellisuusteorian ydinajatus. Newtonin avaruus, jossa kappaleet liikkuvat, sekä gravitaatiota välittävä kenttä ovat yksi ja sama asia.

Maailma yksinkertaistui silmänräpäyksessä, kuin ilmestyksenä. Avaruus ei enää ollut erillään, vaan se oli yksi maailman ”materiaalisista” osista, kokonaisuus, joka taipuilee, joustaa, kaartuu ja kiertyy. Emme ole sulkeutuneita näkymättömään jäykkään rakennelmaan vaan olemme jättimäisen joustavan vanukkaan sisällä. Aurinko taivuttaa avaruutta ympärillään. Maa ei kierrä Aurinkoa jonkin mystisen voiman ansiosta, vaan se kulkee suoraan avaruudessa, joka kuitenkin itsessään viettää kohti Aurinkoa. Aivan kuin suppilossa vierivä kuula. Sitä eivät vedä kohti suppilon keskustaa mitkään mystiset voimat vaan kaltevat seinämät. Planeetat kiertävät Aurinkoa ja esineet putoavat, koska avaruus on kaareutunut.

Miten voimme kuvailla tätä kaareutumista? 1800-luvun etevin matemaatikko, matemaatikkojen ruhtinaaksi kutsuttu Carl Friedrich Gauss oli laatinut kaavoja kuvaamaan kaksiulotteisia kaarevia pintoja, jollaisia ovat esimerkiksi kukkuloiden rinteet. Hän oli pyytänyt lahjakasta oppilastaan yleistämään teoriansa kolmeen tai useampaan ulottuvuuteen. Kyseinen oppilas Bernhard Riemann kirjoitti ansiokkaan väitöskirjan, yhden niistä, jotka vaikuttavat täysin hyödyttömiltä. Riemannin mukaan kaareutuvan avaruuden ominaisuuksia voidaan kuvailla matemaattisella objektilla. Se, joka tunnetaan nykyään Riemannin kaarevuutena ja merkitään kirjaimella R. Einstein kirjoitti yhtälön, jonka mukaan R on yhtä kuin aineen energia. Se tarkoittaa, että avaruus kaareutuu siellä, missä on ainetta. Siinä kaikki. Yhtälö oli puolen rivin mittainen, eikä muuta tarvittu. Visio avaruuden kaareutumisesta muuttui yhtälöksi.

Yhtälö sisältää kuitenkin koko säkenöivän maailmankaikkeuden. Nyt teorian taianomainen rikkaus avautui. Siitä saatu ennusteiden sarja muistutti mielipuolen haltioituneita houreita mutta oli suorastaan epätodellisen onnistunut, ja ennustukset toteutuivat yksi toisensa jälkeen.

Ensinnäkin yhtälö kuvaa sitä, miten avaruus taipuu tähden ympärillä. Kaareutuvuuden takia planeetat kiertävät tähteä, mutta myös valonsäde taipuu eikä enää kulje suoraan. Einstein ennusti, että Aurinko saa valonsäteen muuttamaan suuntaansa. Vuonna 1919 tämä poikkeama saatiin mitattua ja ennuste näytettiin toteen. Avaruus ei kuitenkaan ole ainoa kaareutuva asia, vaan myös aika kaareutuu. Einstein ennusti, että aika kuluu nopeammin korkealla, kauempana maapallon pinnasta. Mittausten mukaan tämäkin pitää paikkansa. Jos merenpinnan tasolla asunut henkilö tapaa kaksosensa, joka on asunut ikänsä vuoristossa, hän huomaa, että tämä sisarus on aavistuksen vanhempi kuin hän itse. Ja tämä on vasta alkua.

Kun suuri tähti on polttanut kaiken polttoaineensa eli vedyn, josta se on muodostunut, se sammuu. Sen jälkeen kuumuuden aiheuttama paine ei enää ponnista tähden jäänteitä ulospäin, joten tähti luhistuu oman painonsa alla jopa siihen pisteeseen, missä avaruus romahtaa muodostaen reiän itseensä. Näin syntyvät kuuluisat mustat aukot. Opiskeluaikoinani niitä pidettiin vain erikoislaatuisen teorian tuottamina tuskin uskottavina mahdollisuuksina. Nykyään niitä tunnetaan sadoittain, ja tähtitieteilijät tutkivat niitä hyvinkin yksityiskohtaisesti.

Tässäkään ei ole vielä kaikki. Koko maailmankaikkeus voi laajeta ja supistua. Einsteinin yhtälöt osoittivat kaiken lisäksi, ettei maailmankaikkeus voi olla aloillaan, vaan sen täytyy laajentua. Laajeneminen todella havaittiin vuonna 1930. Samat yhtälöt ennustivat, että laajeneminen sai alkunsa nuoren, äärettömän kuuman ja äärettömän pienen maailmankaikkeuden räjähdysmäisestä alusta: kutsumme sitä nykyään nimellä alkuräjähdys, eli big bang. Kukaan ei ensin uskonut tähänkään, mutta todisteet alkoivat kasautua, kunnes lopulta havaittiin kosminen taustasäteily, himmeä jälkihehku, joka on jäljellä maailmankaikkeuden alkuhetkistä. Einsteinin yhtälöihin perustuva ennuste osoittautui paikkansa pitäväksi.

Teoria myös väittää, että avaruus aaltoilee merenpinnan tavoin. Näiden gravitaatioaaltojen seurauksia on havaittu kaksoistähtijärjestelmien avulla, ja ne vastaavat teorian ennusteisiin sadasmiljardisosan tarkkuudella (suom. huom: Helmikuussa 2016 julkistettiin ensimmäinen suora havainto gravitaatioaalloista, jotka havaittiin Yhdysvaltalaisilla LIGO-interferometreillä). Ja niin edelleen.

Lyhyesti sanottuna teoria kuvaa hämmästyttävän värikkään maailman. Siinä maailmankaikkeudet räjähtävät, avaruus romahtaa pohjattomiksi rei’iksi, aika venyy ja hidastuu planeetan lähellä ja tähtienvälinen avaruus laajenee ja aaltoilee kuten meren pinta… Mikään, mikä sai alkunsa tästä hiirten nakertamasta kirjasta, ei ollut hullun hourailuja tai Calabrian polttavan auringon ja häikäisevän meren aiheuttamia hallusinaatioita. Se oli todellisuutta. Tai tarkemmin sanottuna välähdys todellisuudesta hiukan vähemmän verhottuna kuin arkikokemuksemme sumea ja banaali versio siitä on. Todellisuus, joka näyttää koostuvan samasta aineesta kuin unelmamme, mutta joka on kuitenkin todellisempi kuin arkipäiväinen unelmointimme.

Kaikki tämä on seurausta perustavaa laatua olevasta intuitiosta, jonka mukaan avaruus ja kenttä ovat sama asia. En voi vastustaa kiusausta laittaa tähän myös perimmäistä yhtälöä, vaikka sitä ei osattaisikaan tulkita. Ehkä lukijat osaavat kuitenkin arvostaa yhtälön ihmeellistä yksinkertaisuutta:

 

Rab–½Rgab=Tab

 

Siinä kaikki.

 

Yhtälön ymmärtäminen ja käyttäminen edellyttäisi Riemannin matematiikan opiskelua. Se vaatisi vaivaa ja paneutumista, mutta vähemmän kuin Beethovenin myöhäisten jousikvartettojen henkistyneen kauneuden arvostamiseen tarvitaan. Molemmissa tapauksissa palkintona on puhdas kauneus ja uusin silmin nähty maailma.

 

Toinen luento: Kvantit

1900-luvun fysiikalla on kaksi peruspilaria, yleinen suhteellisuusteoria, josta kerroin ensimmäisessä luennossa ja kvanttimekaniikka, jota käsittelen tässä. Nämä kaksi eivät voisi poiketa toisistaan enempää.

Kumpikin teoria kuvaa luonnon hienorakenteen syvällisemmin kuin miltä se ensisilmäyksellä näyttää. Yleinen suhteellisuusteoria on tiivis jalokivi. Se onkin yhden mielen laatima, Albert Einsteinin yksinkertainen ja yhtenäinen näkemys gravitaatiosta, avaruudesta ja ajasta. Kvanttimekaniikan tai ”kvanttiteorian” kokeellinen varmistus on taas puolestaan täysin vailla vertaa. Se on johtanut moniin jokapäiväistä elämäämme muuttaneisiin sovelluksiin (kuten esimerkiksi tietokoneeseen, jolla olen kirjoittanut tämän), mutta yli vuosisata syntynsä jälkeen sitä peittää edelleen mysteerin ja käsittämättömyyden verho.

Sanotaan, että kvanttimekaniikka syntyi tarkalleen vuonna 1900 avaten tien kokonaiselle intensiivisen ajattelun vuosisadalle. Saksalainen fyysikko Max Planck laski, miten kuuma musta kappale säteilee. Saadakseen todellisuutta vastaavan tuloksen hänen piti käyttää temppua, jossa hän kuvitteli kentän energian jakautuneen paketeiksi, kvanteiksi. Menetelmä johti täsmälleen samaan tulokseen kuin mitatut arvot, joten sen piti olla jossain mielessä oikein, vaikka se oli vastoin kaikkea siihenastista tietoa. Ener­gian määrän ajateltiin voivan muuttua jatkuvasti, eikä ollut mitään syytä olettaa, että se olisi muodostunut pienistä rakennuspalikoista.

Planckille energian ajatteleminen paketteina oli vain erityinen matemaattinen väline, eikä hän itsekään ymmärtänyt miksi se oli niin tehokas. Viisi vuotta myöhemmin kukapa muukaan kuin Einstein ymmärsi, että energiapaketit olivat todellisia.

 

Einstein osoitti, että valo koostui paketeista, valon hiukkasista, joita nykyään kutsumme fotoneiksi. Ein­stein kirjoittaa artikkelinsa johdannossa:

 

”Nähdäkseni havainnot mustan kappaleen säteilystä, fluoresenssista, ultraviolettivalon aiheuttamasta katodisäteilystä ja muista valon säteilyyn ja muutoksiin liittyvistä ilmiöistä ymmärretään paremmin, jos oletetaan, ettei valon energia ole jakautunut avaruuteen jatkuvalla tavalla. Tässä esitetyn oletuksen mukaan valonsäteen energia ei leviä jatkuvalla tavalla avaruuteen, vaan koostuu äärellisestä määrästä tietyissä pisteissä avaruutta olevia ”energiakvantteja”. Ne liikkuvat jakautumatta ja niitä voidaan tuottaa tai absorboida vain kokonaisina yksiköinä.”

 

Nämä yksinkertaiset ja selkeät lauseet ovat kvanttiteo­rian todellinen syntymätodistus. Huomaa Einsteinin mainio aloitus ”Nähdäkseni - -”. Se muistuttaa Darwinin aloitusta ”Mielestäni”, jolla hän muistiinpanoissaan kuvasi ajatusta, että lajit kehittyvät, tai Faradayn epäröintiä hänen esitellessään ensi kertaa mullistavaa ajatustaan magneettikentistä. Nero empii.

Aikalaiset pitivät Einsteinin työtä poikkeuksellisen lahjakkaan nuorukaisen hullutuksena. Jälkeenpäin hänelle myönnettiin Nobel-palkinto juuri tästä työstä. Jos Planck on kvanttiteorian isä, Einstein on teorian kasvatusisä.

Mutta kuten jälkikasvu yleensä tekee, teoria lähti omille teilleen Einsteinista piittaamatta. Vuosisadan toisella ja kolmannella vuosikymmenellä tanskalainen Niels Bohr edisti kehitystä. Juuri Bohr ymmärsi, että atomin elektronin energia voi saada vain tiettyjä arvoja, samaan tapaan kuin valon energia. Ratkaisevasti elektronit voivat hyppiä atomin elektronikuorelta toiselle tietyn määrätyn energian avulla, säteilemällä tai absorboimalla fotonin hypätessään. Juuri nämä ovat ne kuuluisat kvanttihypyt. Aikansa etevimmät nuoret tutkijat keräytyivät Bohrin instituuttiin Kööpenhaminaan löytääkseen jotain järkeä atomitason hämmentävään käyttäytymiseen ja kootakseen siitä yhtenäisen teorian. Newtonin mekaniikan korvaavan teorian yhtälöt julkaistiin vuonna 1925.

On vaikea kuvitella merkittävämpää saavutusta, kuin tämä. Yhdellä iskulla kaikki loksahtaa kohdalleen ja kaikki on laskettavissa. Otetaan esimerkiksi vaikkapa alkuaineiden jaksollinen järjestelmä, joka riippui lähes kaikkien koululuokkien seinällä. Mendelejevin keksimä järjestelmä listaa kaikki mahdolliset alkuaineet, joista maailmankaikkeus koostuu, vedystä uraaniin. Miksi juuri nämä aineet ovat järjestelmässä ja miksi järjestelmän rakenne on juuri tällainen, jossa alkuaineilla on tietyt paikat ja ominaisuudet? Yksinkertainen vastaus on, että jokainen alkuaine vastaa tiettyä ratkaisua kvanttimekaniikan perustavassa yhtälössä. Yhdessä yhtälössä ilmenee koko kemia.

Saksalainen nuori nero Werner Heisenberg kirjoitti ensimmäisenä huimiin ajatuksiin perustuvat yhtälöt.

Heisenberg kuvitteli, etteivät elektronit ole olemassa koko ajan. Ne ovat olemassa vain silloin, kun joku tai jokin tarkkailee niitä, tarkemmin sanoen kun ne ovat vuorovaikutuksessa jonkin muun kanssa. Elektronit materialisoituvat laskettavissa olevalla todennäköisyydellä tiettyyn paikkaan, kun ne törmäävät jonkin kanssa. Elektronien ainoa keino olla olemassa ovat ”kvanttihypyt” elektronikuorelta toiselle. Elektroni on sarja hyppyjä yhdestä vuorovaikutuksesta toiseen. Elektroni ei ole missään erityisessä paikassa ellei sitä häiritse mikään. Se ei ole ”paikassa” lainkaan.

Aivan kuin luoja ei olisi piirtänyt todellisuutta yhtenäisellä viivalla vaan ainoastaan luonnostellut pisteviivoilla.

Kvanttimekaniikassa millään kappaleella ei ole määrättyä paikkaa, ellei se törmää suoraan johonkin toiseen kappaleeseen. Jotta sitä voisi kuvata ”lennossa” kahden vuorovaikutuksen välillä, täytyy käyttää abstraktia matemaattista kaavaa. Sen antama kuvaus ei kuitenkaan päde todellisuudessa vaan ainoastaan kuvitteellisessa matemaattisessa tilassa. Mutta pahempaa on tulossa. Nämä vuorovaikutuksesta toiseen tapahtuvat hypyt eivät tapahdu millään ennustettavalla tavalla vaan pääasiassa sattumanvaraisesti. Ei ole mahdollista ennustaa, missä elektroni ilmaantuu seuraavan kerran, ainoastaan laskea todennäköisyys sen ilmaantumiselle jossain. Ajatus todennäköisyyksistä iski aivan fysiikan ytimeen, koska kaiken kuviteltiin olevan tiukkojen fysiikan lakien kattavasti määräämää.

Vaikuttaako mielettömältä? Niin vaikutti Einsteinistakin. Hän kyllä suositteli Nobel-palkintoa Werner Heisenbergille tunnustaen, että tämä oli ymmärtänyt jotain perustavaa maailmasta. Mutta toisaalta Einstein ei hukannut yhtään tilaisuutta nuristakseen, ettei tässä ollut paljon järkeä.

Kööpenhaminan nuoret leijonat olivat tyrmistyneitä. Kuinka oli mahdollista, että Einstein ajatteli näin? Heidän henkinen oppi-isänsä, joka oli osoittanut rohkeutta ajatella mahdotonta, perääntyi ja oli peloissaan uudesta loikasta tuntemattomaan, vaikka oli itse sen aloittanut. Sama Einstein, joka oli osoittanut, ettei aika ole universaalia ja että avaruus kaareutuu. Nyt jopa hän sanoi, ettei maailma voi olla näin outo.

Bohr selitti uudet ajatuksensa Einsteinille kärsivällisesti, mutta Einstein vastusti. Hän laati ajatuskokeita osoittaakseen, että uudet ideat olivat ristiriitaisia: ”Ajatellaanpa valon täyttämää laatikkoa, josta päästämme yhden fotonin karkuun…” alkaa eräs hänen kuuluisista esimerkeistään, ajatuskoe valolaatikosta. Bohr onnistui aina lopulta kumoamaan hänen vastaväitteensä. Heidän väittelynsä jatkui vuosikausia luennoissa, kirjeissä ja artikkeleissa… Kumpikin suurmies joutui joskus perääntymään ja muuttamaan ajatteluaan. Einsteinin oli myönnettävä, ettei uusissa ajatuksissa oikeastaan ollut ristiriitaa. Bohrin piti tunnustaa etteivät asiat olleet niin yksinkertaisia ja selviä kuin hän oli alun perin ajatellut. Einstein ei halunnut luopua keskeisestä ajatuksestaan, että on olemassa objektiivinen todellisuus riippumatta siitä, ketkä tai mitkä ovat vuorovaikutuksessa. Bohr ei hellittänyt kannastaan, jonka mukaan uusi teoria oli pätevä käsitteellistämään todellisuuden täysin uudella tavalla. Lopulta Einstein myönsi, että uusi teoria oli jättiaskel eteenpäin maailman selittämisessä. Hän oli kuitenkin vakuuttunut siitä, etteivät asiat olleet niin outoja kuin oli esitetty vaan että jostain ”takaa” löytyisi järkevämpi selitys.

Vuosisata myöhemmin olemme samassa pisteessä. Fyysikot, insinöörit, kemistit ja biologit käyttävät laajalti ja päivittäin kvanttifysiikan yhtälöitä ja niiden tuloksia. Ne ovat erittäin hyödyllisiä kaikessa modernissa teknologiassa. Ilman kvanttimekaniikkaa ei olisi esimerkiksi transistoreja. Silti kaavat pysyvät arvoituksina. Ne eivät kuvaa sitä, mitä fysikaaliselle järjestelmälle tapahtuu, vaan sitä, miten fysikaalinen järjestelmä vaikuttaa toiseen.

Mitä tämä kaikki oikein tarkoittaa? Onko systeemin todellinen luonne sanoin kuvaamaton? Vai puuttuuko meiltä palapelin pala? Vai täytyykö meidän hyväksyä, kuten luulen, että todellisuus on vain vuorovaikutusta? Tietomme lisääntyminen on todellista. Pystymme tekemään uusia asioita, joita emme aiemmin osanneet edes kuvitella. Mutta lisääntyvä tieto avaa uusia kysymyksiä. Uusia arvoituksia. Yhtälöitä käytetään laboratoriotutkimuksissa tästä välittämättä. Viime vuosina fyysikot ja filosofit ovat artikkeleissa ja kokouksissaan etsineet selvyyttä yhä innokkaammin. Mitä kvanttiteoria on vuosisata syntymänsä jälkeen? Poikkeuksellinen sukellus syvälle luonnon todellisuuteen? Kömmähdys, joka sattumalta toimii? Osanen epätäydellistä palapeliä? Vai vihje jostain perustavaa laatua olevasta ilmiöstä, joka liittyy maailman rakenteeseen ja jota emme ole vielä kunnolla ymmärtäneet?

Kun Einstein kuoli, hänen suurin kilpailijansa Bohr käytti liikuttuneen ihailevia sanoja. Muutamaa vuotta myöhemmin kun Bohr kuoli, hänen työhuoneensa liitutaulusta otettiin kuva. Siinä oli piirustus. Einsteinin ajatuskokeen ”valon täyttämä laatikko”. Halu haastaa itsensä ja ymmärtää loppuun saakka. Ja vielä viimeiseksi: epäilys.

 

 

Kolmas luento: Kosmoksen arkkitehtuuri

Einstein kuvasi ajan ja avaruuden kudelman suhteellisuusteorian avulla 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla. Bohr ja hänen nuoret oppilaansa vangitsivat aineen oudon kvanttiluonteen kaavoihin. Vuosisadan toisella puoliskolla fyysikot pohjasivat työnsä näille perustuksille ja sovelsivat kahta uutta teoriaa luontoon makrokosmoksen rakenteesta mikrokosmoksen alkeishiukkasiin. Tässä luennossa käsittelen ensin mainittua ja seuraavassa jälkimmäistä.

Luento koostuu pääasiassa yksinkertaisista piirroksista. Syy siihen on se, että ennen kokeiden tekemistä, mittauksia, matematiikkaa ja ankaraa päättelyä tiede on ennen kaikkea näkemyksiä. Tiede alkaa vi­siosta. Tieteellistä ajattelua ruokkii kyky ”nähdä” asiat erilailla kuin aiemmin on nähty. Tarjoan tässä lyhyen hahmotelman matkasta, joka tehtiin vanhasta näkemyksestä uuteen.

Näin maailmankaikkeus jäsennettiin vuosituhansia: Maa alla ja taivas yllä. Ensimmäisessä suuressa tieteellisessä vallankumouksessa 2600 vuotta sitten Anaksimandros yritti selvittää, miksi Aurinko, Kuu ja tähdet kiertävät ympärillämme. Hän korvasi siihen asti vallinneen maailmankuvan näin:

Taivas onkin kaikkialla Maan ympärillä, eikä vain yläpuolella. Maa on valtava kivi, joka kelluu avaruudessa putoamatta. Pian joku tajusi, ehkä Parmenides tai Pythagoras, että pallo on käytännöllisin muoto ilmassa leijuvalle Maalle, jolle kaikki suunnat ovat yhtäläisiä. Aristoteles keksi vakuuttavat tieteelliset argumentit vahvistaakseen pallomaisen Maan ja sitä ympäröivän pallomaisen avaruuden, jossa taivaalliset kappaleet kiertävät radoillaan. Syntynyt kuva kosmoksesta oli tällainen:

Aristoteleen kuvaus maailmankaikkeudesta, jonka hän esitti teoksessaan Taivaasta, säilyi länsimaisissa sivilisaatioissa vallitsevana käsityksenä keskiajalle saakka. Sitä maailmankuvaa Dante Alighieri ja William Shakespeare opiskelivat koulussa.

Seuraavan loikan aloitti Kopernikus käynnistämällä kopernikaaniseksi kutsutun tieteellisen vallankumouksen. Kopernikuksen maailma ei näytä poikkeavan kovinkaan paljon aristoteelisestä:

Todellisuudessa siinä on kuitenkin keskeinen ero. Kopernikus omaksui jo antiikin aikana pohditun mutta hylätyn ajatuksen ja osoitti, ettei Maa ole planeettojen tanssin keskiössä vaan Aurinko. Omasta planeetastamme tuli vain yksi muiden joukossa. Se pyörii nopeasti akselinsa ympäri ja kiertää Aurinkoa. Tieto lisääntyi nopeasti, ja kehittyvien laitteiden avulla havaittiin pian, että aurinkokuntakin on vain yksi muiden joukossa eikä Aurinko ole sen kummempi tähti kuin muutkaan. Vain häviävän pieni täplä valtavassa satojen miljardien tähtien pilvessä – galaksissa:

1930-luvulla tehtiin tarkoilla laitteilla mittauksia tähtisumuista, pienistä vaaleista läiskistä tähtien välissä. Ne osoittivat, että galaksimme itsessään on vain pieni pölyhiukkanen valtavassa galaksien pilvessä, joka ulottuu niin kauas kuin voimme kaikkein tehokkaimmilla kaukoputkillamme nähdä. Maailmasta on tullut yhtenäinen ja rajattomasti laajeneva.

Kuva ei ole piirros vaan Hubble-avaruusteleskoopin ottama kuva. Siinä näkyy syvemmälle avaruuteen kuin koskaan aiemmin on nähty kaikkein tehokkaimmillakaan kaukoputkilla. Paljaalla silmällä katsottuna kuvan alue on vain pikkuruinen pala äärimmäisen mustaa taivasta. Valtavan kaukaiset sumutäplät ilmestyvät näkyviin kaukoputken avulla. Jokainen täplä on galaksi, jossa on satoja miljardeja Aurinkomme kaltaisia tähtiä. Viime vuosina on havaittu, että suurinta osaa näistä tähdistä kiertävät niiden omat planeetat. Maailmankaikkeudessa onkin siis tuhansia miljardeja miljardeja Maan kaltaisia planeettoja. Katsoimme mihin suuntaan tahansa, näkymä on samanlainen.

Tämä loputon yhdenmukaisuus ei ole kuitenkaan sitä, miltä se näyttää. Kuten ensimmäisessä luennossa kerroin, avaruus ei ole laakea vaan kaareutunut. Ajatellaanpa galaksien täplittämää avaruuden rakennetta, joka aaltoilee kuin meri – jossain kohtaa niin ankarasti, että syntyy syviä aallonpohjia, mustia aukkoja. Palataanpa piirrokseen nähdäksemme millainen tämä suurten aaltojen uurtama maailmankaikkeus on:

Lopuksi: Nykyään ymmärrämme, että valtava, joustava, galaksien kirjoma, viidentoista miljardin vuoden ikäinen maailmankaikkeutemme on saanut alkunsa äärimmäisen kuumasta ja tiheästä pienestä pilvestä. Tämän ymmärtämiseksi ei tarvitse piirtää kuvaa maailmankaikkeudesta vaan sen koko historiasta diagrammina:

Maailmankaikkeus sai alkunsa pienenä pallona ja laajeni räjähdysmäisesti nykyisiin kosmisiin mittoihinsa. Tällainen on nykyinen kuvamme maailmankaikkeudesta sen suurimmassa mittakaavassa.

Onko olemassa jotain muuta? Oliko jotain ennen alkua? Ehkä? Kerron lisää parin luennon jälkeen. Onko muita samanlaisia tai erilaisia maailmankaikkeuksia? Emme tiedä.

Neljäs luento: Hiukkaset

Maailmankaikkeudessa, jota kuvasin edellisessä luennossa, valo ja asiat liikkuvat. Valo on fotoneita, valohiukkasia, jotka Einstein hoksasi. Näkemämme esineet muodostuvat atomeista. Jokainen atomi koostuu ytimestä, jota ympäröivät elektronit. Jokainen ydin koostuu tiukkaan pakkaantuneista protoneista ja neutroneista. Sekä protonit että neutronit muodostuvat vielä pienemmistä hiukkasista, jotka yhdysvaltalainen fyysikko Murray Gell-Mann nimesi kvarkeiksi. Hän sai idean James Joycen Finnegans Wake -romaanista, jonka absurdissa lauseessa esiintyy näennäisesti merkityksetön sana: ”Three quarks for Muster Mark!” Kaikki asiat, joita voimme koskettaa, rakentuvat siis elektroneista ja näistä kvarkeista.

Voima, joka liimaa kvarkit protonien ja neutronien sisään, syntyy hiukkasista, joita fyysikot kutsuvat huumorintajua osoittavasti gluoneiksi. Liima on englanniksi glue. Suomeksi ne voisivat kääntyä esimerkiksi ”liimakaisiksi”, mutta onneksi kaikkialla käytetään englannista juontuvaa nimeä.

Elektronit, kvarkit, fotonit ja gluonit ovat kaiken ympärillämme vaikuttavan aineen osaset. Ne ovat alkeishiukkasia, joita hiukkasfysiikka tutkii. Näiden lisäksi on muutamia muita alkeishiukkasia, kuten neutriinot, joita kuhisee kaikkialla maailmankaikkeudessa mutta jotka eivät juuri vuorovaikuta muun aineen kanssa, sekä Higgsin bosoni, joka hiljattain löydettiin Genevessä Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNin LHC-törmäyttimellä. Hiukkasia on yhteensä alle kymmentä tyyppiä. On siis kourallinen alkeishiukkasia, jotka käyttäytyvät kuin jättimäisen legopaketin palikat ja joista kaikki aineellinen todellisuus koostuu.

Näiden hiuk...