Painon välittäjästä
Kommenteissa on toisinaan tiedusteltu, onko gravitoni löydetty, ja gravitonin ja gravitaation suhde on kestokysymys julkisten puheiden yhteydessä, joten selvennän aihetta hieman.
Joskus populaareissa esityksissä listataan fotonin, elektronin ja muiden alkeishiukkasten joukossa myös gravitoni. Se on kuitenkin luonteeltaan erilainen kuin ne. Asia ei ole monimutkainen, mutta sen hahmottamista häiritsee se, että hiukkasfyysikot tarkoittavat sanalla ”hiukkanen” ainakin kolmea eri asiaa.
Ensinnäkin hiukkanen tarkoittaa tietyn hiukkaslajin yhtä yksilöä: voidaan sanoa, että LHC:n tietyssä törmäyksessä nähdään Higgsin hiukkanen tai yhdessä kuutiosenttimetrissä avaruutta on keskimäärin 410 fotonia.
Toisekseen sana hiukkanen viittaa koko hiukkaslajiin: kun sanotaan, että myonin neutriino löydettiin vuonna 1962 tai että QED on teoria fotonista ja elektronista, ei olla kiinnostuneita yksittäisistä ilmentymistä.
Luokan ja yksittäisen tapauksen kutsuminen samalla nimellä on arkikielessäkin tuttua: sanat tomaatti tai saimaannorppa viittaavat sekä yksilöön että lajiin. Sanan hiukkanen tapauksessa on kuitenkin vielä kolmas merkitys: se viittaa kenttään, jonka tihentymiä hiukkaset ovat.
1920-luvulla kehitetty kvanttimekaniikka on teoria yksittäisistä hiukkasista (vaikka se hämärsikin käsitystä siitä, mitä ne oikein ovat). Kvanttiteorian nykyinen kehitysvaihe, kvanttikenttäteoria, ei sen sijaan ole teoria hiukkasista. Sen rakennuspalikat ovat kenttiä, jotka täyttävät koko avaruuden. Kvanttikenttäteoria kertoo, miten kentät vuorovaikuttavat keskenään ja millä todennäköisyydellä niihin syntyy eri tilanteissa aaltoja: fotonit ovat fotonikentän aaltoja, elektronit elektronikentän. Kenttien käyttäytyminen ei palaudu hiukkasiin. Esimerkiksi sitä, miten Higgsin kenttä antaa hiukkasille massat, ei voi selittää Higgsin hiukkasen ja muiden hiukkasten vuorovaikutuksen avulla.
Yleensä kenttä katsotaan löydetyksi, kun sitä vastaava yksittäinen hiukkanen havaitaan ensimmäistä kertaa. Viimeksi näin on tehty Higgsin kentän kohdalla vuonna 2012. Higgsin kentän tapauksessa kentästä tosin oli jo paljon epäsuoria havaintoja ennen sitä vastaavan hiukkasen löytämistä, koska Higgsin kentän vuorovaikutus muiden kenttien kanssa antaa niiden hiukkasille massat. Toisaalta valo on ”löydetty” (jo meitä edeltäneiden elämänmuotojen toimesta) kauan ennen kuin yksittäisiä fotoneita 1900-luvulla kyettiin mittaamaan.
Jos hiukkasen ymmärtää kahdella ensimmäisellä tavalla, yksittäisenä aaltona tai aaltolajina, niin gravitoni on samanlainen ilmiö kuin fotoni tai elektroni. Mutta siinä missä fotoni on aalto sähkömagneettisessa kentässä, avaruuden täyttävää gravitonikenttää ei ole olemassa, vaan gravitoni on aalto aika-avaruudessa itsessään.
Samoin kuin sähkövarausten molemminpuolisen vetovoiman voi ymmärtää fotonien vaihtamisena, gravitonien voi sanoa välittävän massojen välistä vetovoimaa. Tässä mielessä havaitsemme gravitonien vaikutusta koko ajan. Gravitaatiossa on pohjimmiltaan kyse aika-avaruuden kaarevuudesta, ja sillä (kuten Higgsin kentällä) on myös sellaisia ilmenemismuotoja, joita ei voi palauttaa gravitoneihin. Yksi esimerkki on maailmankaikkeuden laajeneminen, mikä on varmennettu tosiasia (vaikka Aalto-yliopiston tiedotteen perusteella voisi muuta luulla). Toinen on mustat aukot ja niiden sulautuminen toisiinsa – mistä syntyviä gravitaatioaaltoja voi toki kuvailla gravitonien avulla.
Lyhyesti sanottuna, gravitoni on tapa kuvailla pieniä tihentymiä aika-avaruudessa, samalla tapaa kuin elektroni on tapa kuvailla pieniä tihentymiä elektronikentässä.
Onko gravitonia sitten havaittu? Jos gravitonilla tarkoitetaan yksittäistä aaltoa, niin sellaista ei ole havaittu, eikä nähtävissä olevassa lähitulevaisuudessa tulla havaitsemaankaan. Gravitonit vuorovaikuttavat erittäin heikosti aineen kanssa, joten vain yhden havaitseminen on erittäin vaikeaa. Jos taas useamman gravitonin yhteisvaikutus kelpaa, niin niitä on havaittu vaikka kuinka paljon painovoiman ja gravitaatioaaltojen avulla. Jos kysymyksellä tarkoitetaan sitä, onko hiukkasten taustalla oleva kenttä havaittu, niin sellaista ei ole olemassa, mutta aika-avaruutta on vaikea olla havaitsematta.
”gravitonien voi sanoa välittävän massojen välistä vetovoimaa.”
Muuten hyvässä merkinnässä tämä jäi hiertämään. Olen oppinut, että massajakauman muutokset vain välittyvät ja gravitoni voisi olla avaruusajan muutoskvantti. Vetovoima saadaan illuusiona avaruusajan kaarevuudesta.
Kuinkas vastaat?
En ymmärrä kysymystä.
Sitä tarkoitan, että jos kaksi samamassaista tähteä kiertää toisiaan ja tieto niiden koko massasta välittyisi jatkuvasti toisilleen valonnopeudella c, aberraatio ajaisi äkkiä kiertoradat kaoottisiksi ja tähdet ajautuisivat erilleen.
Sen sijaan, että gravitonien voisi sanoa välittävän massojen välistä vetovoimaa, yleisen suhteellisuusteorian mukaan avaruusaika on staattisesti kaareutunut ja hierarkisesti niin, ettei mitään signalointia tarvita, ellei pallogeometrinen massajakauma muutu.
Eikö olisi oikeammin ilmaistu, että gravitonien voisi sanoa välittävän avaruusajassa tietoa sen kaarevuusmuutoksista eli massajakaumamuutoksista.
Olenko käsittänyt yleisen suhteellisuusteorian geometriasta jotain väärin?
Tieto massajakauman muutoksesta tosiaankin välittyy vain valon nopeudella. Tämä ei tee kaksoistähtijärjestelmien liikkeistä kaoottisia.
Kaksoistähtijärjestelmä ei ole pallosymmetrinen.
Gravitoni on tapa kuvailla aika-avaruuden pieniä muutoksia (esimerkiksi muutosta siitä tilanteesta, että siinä ei ole massoja lainkaan siihen tilanteeseen, että siinä on massoja, joska kaareuttavat sitä vähän). On kuitenkin ehkä harhaanjohtavaa sanoa, että gravitoni välittäisi tietoa kaarevuuden muutoksista: gravitoni on tapa kuvailla aika-avaruuden kaarevuutta tietyissä tilanteissa.
Kiitos. Massajakauma on tosiaan eri asia kuin yksittäinen massa. Newtonin kappalegravitaatiossa aberraatio oli ongelma, kenttägravitaation kanssa ongelmaa ei ole.
Kaksoistähtijärjestelmän esitinkin esimerkkinä tasahierarkisuudesta, jossa ei olla oleellisesti pallosymmetriassa.
Onko niin, ettei ole yleisen suhteellisuusteorian eikä standardimallinkaan vaatimusta gravitonille? Eli saattaisi olla niinkin, että sellaista gravitaation kvantittumista ei vain ole… Kuinka järkevänä näet epäillä gravitonin olemassaoloa?
Aberraatiolla ei ole asian kanssa mitään tekemistä kummassakaan teoriassa.
Jälkimmäiseen kymysykseen yritin antaa vastauksen merkinnässäni. Gravitonin olemassaolo ei (siltä osin kuin sitä kuvailin) liity gravitaation kvanttiteoriaan.
http://www.relativitybook.com/wiki/Gravitational_aberration
Gravitationaalisesta aberraatiosta.
Kvanttigravitaatiovariaatioita on tietysti turha käydä läpi, kun emme tiedä renormalisoituvuusehdoistakaan paljon mitään…
Kiitos kärsivällisistä vastauksistasi.
Freeman Dyson on pohtinut olisiko yksittäinen gravitoni (siinä tapauksessa että gravitaatio on kvantittunut ilmiö) periaatteessa mahdollista havaita vai ei, https://publications.ias.edu/sites/default/files/poincare2012.pdf . Kumpikin vastaus on paperin mukaan mahdollinen, eli kysymys on toistaiseksi avoin.
Onko niin, että gravitaatio muuttaa oman kenttänsä (aika-avaruuden) rakennetta, mutta mitkään muut hiukkaset eivät vaikuta samalla tavalla omien kenttiensä rakenteeseen (vaan kaikkien muiden kenttien katsotaan olevan rakenteeltaan ”ideaalisia” tai ”venymättömiä”)?
Miten se vaikuttaa siihen, miten gravitaatio voidaan kuvata kvantittuneena? Vai onko sillä teoreettisesti mitään merkitystä?
En ihan ymmärrä kysymystä. Hiukkaset ovat tietynlaisia piirteitä kentässä, eivät erillisiä siitä. Ilmaisu ”gravitaatio muuttaa oman kenttänsä” on samanlainen kuin ”sähkömagnetismi muuttaa oman kenttänsä”, en oikein tiedä mitä kumpikaan tarkoittaa.
Kuten tekstissä mainitsen, gravitaatioon ei liity mitään avaruudessa olevaa kenttää, vaan se on aika-avaruuden itsensä ominaisuus.
Jos tarkoitat sitä, vuorovaikuttaako aika-avaruus itsensä kanssa, niin vastaus on kyllä. (Niin tekee myös esimerkiksi QCD:n gluonikenttä.)
Siis tarkoitin nimenomaan sitä eroa, että muissa kvanttikentissä kenttä itse on riippumaton siinä tapahtuvista värähtelyistä/eksitaatioista, mutta massa/energia venyttää aika-avaruutta ja tuottaa tietyissä tilanteissa gravitaatioaaltoja.
Niin, unohdin, että gluonithan vuorovaikuttavat myös itsensä kanssa.
Onko gravitoni välttämätön konsepti ?
Wikipedian mukaan gravitonista puhuivat ensimmäisinä neuvostofyysikot 30-luvulla. Tuntuu kummalliselta ettei Einstein ollut tässäkin asiassa ensimmäisenä, sillä olihan tämä hänen ydinalaansa.
Ei. Se on hyödyllinen tapa hahmottaa tiettyjä aika-avaruuden piirteitä, mutta ei välttämätön.
Syksy:
”Kuten tekstissä mainitsen, gravitaatioon ei liity mitään avaruudessa olevaa kenttää, vaan se on aika-avaruuden itsensä ominaisuus.”
Tämä on hyvin oleellinen huomautus. Yhä vakavammin tutkijoiden piirissä esitetään, että kvantit ovat tässä, aine-energiaan liittyvissä ilmiöissä. Gravitonin ja jopa gravitaation kvantittamisen aktiivinen unohtaminen voisi välillä olla hedelmällistä. Emergentti gravitaatio on eräs tutkimuslinja.
Sekä aika että gravitaatio emergenttejä?
Kari Enqvist: Olipa gravitaation kvanttiteoria millainen tahansa, on luultavaa, että se tuo mukanaan Heisenbergin epätarkkuusperiaatetta vastaavaan kvanttiepämääräisyyden myös aikaan ja avaruuteen. Kvanttimekaniikassa hiukkaset eivät ole pistemäisiä vaan niillä on tietty aikaan ja avaruuteen levinnyt todennäköisyysjakauma. Gravitaation kvanttiteoriassa tämän epämääräisyyden tulisi näkyä avaruusajan ominaisuuksissa siten, että Planckin pituutta ja aikaa vastaavissa skaaloissa avaruus ja aika käyvät sumeiksi. On kuin kellojen käynti alkaisi vaihdella villisti ja arvaamattomasti eikä enää ole lainkaan selvää, mikä on ”ennen” ja mikä ”jälkeen”. On todennäköistä -vaikka tämä tietysti on vielä pelkkää spekulaatiota – että syyn ja seurauksen välinen suhde rikkoutuu Planckin skaalassa.
Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan ajallinen tarkkuus, aikaresoluutio, on sitä parempi mitä suuremmalla energialla tapahtumia luodataan. Vastaava ilmiö näkyy tavallisessa mikroskoopissa: mitä pienempi valon aallonpituus, eli mitä suurempi fotonin energia, sitä pienempiä yksityiskohtia voidaan havaita. Säieteorioissa Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen uskotaan kuitenkin muuttuvan siten, että energian lisääminen ei lopulta enää lisääkään aikaresoluutiota. Ajan epätarkkuus kyllä pienenee aluksi aina Planckin ajan suuruiseksi, mutta sen jälkeen epätarkkuus alkaa jälleen kasvaa energiaan verrannollisena. Tämän mukaisesti Planckin aika olisi pienin kuviteltavissa oleva aikaintervalli. Planckin aikaa ja pituutta pienemmissä skaaloissa avaruusaika yksinkertaisesti katoaisi pois. Täten on mahdollista, että aika on vain suuren kokoskaalan emergentti ilmiö, jota ei fysikaalisen maailman kaikkein perustavimmassa kuvailussa ole lainkaan olemassa.
Kiitos kirjoituksestasi. Olisiko sinulla vihjata ”Introduction to” tasoista kirja- tai online-lähdettä, jonka avulla pääsisi käsiksi kvanttigravitaatioon konkreettisestikin. Taso ehkä sellainen, että kvanttikenttien ja yleisen suhteellisuusteorian tentit läpäissyt ymmärtäisi ainakin pääasiat 🙂
Kvanttigravitaatio on valtava alue, en tiedä onko sen kokonaisuuteen mitään johdantoa, eri suuntiin kylläkin.
Näitä voi lueskella:
https://arxiv.org/abs/0907.4238
https://arxiv.org/pdf/1012.4707
https://arxiv.org/pdf/1408.4336
Säieteoriasta on paljonkin johdantotason tekstejä, itse olen aikoinaan lukenut Bailinin ja Loven kirjaa:
https://www.crcpress.com/Supersymmetric-Gauge-Field-Theory-and-String-Theory/Bailin-Love/p/book/9780750302678
Tämäkin vaikuttaa silmäiltynä hyvältä, mutta en ole sitä lukenut:
https://arxiv.org/abs/1107.3967
Kiitos kiitos, vaikuttavat hyviltä ja latasin talteen. Kirjakin päällisin puolin sellainen, että pääasiat voi ymmärtää.