Kuin putoava kivi
Aika-avaruutta kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian ja ainetta kuvaavan kvanttifysiikan yhdistäminen on fysiikan kenties suurin avoin kysymys. Ongelman kokonaisuuden kanssa ei tiedetä edes, ollaanko menossa oikeaan suuntaan, mutta kahdesta asiasta on melko vankalla pohjalla oleva ennuste.
Vuosina 1974-75 Stephen Hawking osoitti, että mustan aukon luona kvanttikentät säteilevät ulospäin. Vaikka tähtien romahduksessa syntyneitä mustia aukkoja on havaittu, niiden Hawkingin säteily on sen verta heikkoa, että sitä tuskin tullaan ikinä mittaamaan.
Toisaalta joukko tutkijoita –kärjessä Vjatseslav Mukhanov ja V.G. Chibisov– hahmotti 1980-luvun alussa, että varhaisessa maailmankaikkeudessa kosmisen inflaation aikana aika-avaruudessa on kvanttivärähtelyitä, jotka jäätyvät paikalleen. Näin syntyy pieniä epätasaisuuksia maailmankaikkeuden aineessa. Ne toimivat galaksien, planeettojen ja kaiken muun rakenteen siemeninä gravitaation kasvattaessa tihentymiä.
1980-luvulla kosminen inflaatio oli yksi spekulaatio muiden joukossa. Inflaatio kuitenkin eroaa Hawkingin säteilystä siinä, että sitä on 90-luvulta alkaen kokeellisesti testattu. Inflaatio ennustaa millaisia kvanttivärähtelyt ovat, ja kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ja galaksien jakauma taivaalla vastaavat ennusteita monin tavoin.
Periaatteessa kuitenkin jokin muu tapahtuma voisi rypyttää maailmankaikkeutta samalla tavalla. Luottamusta inflaatioon lisäisi se, jos saisimme osoitettua, että rypyt ovat tosiaan peräisin kvanttivärähtelyistä.
Kvanttifysiikassa todellisuus on epämääräinen: esimerkiksi hiukkasilla ei ole määrättyä paikkaa, ainoastaan todennäköisyys olla eri paikoissa. Mitä tarkemmin hiukkasen paikka on määrätty, sitä epämääräisempi sen nopeus on, ja toisinpäin. Klassisessa fysiikassa sen sijaan hiukkasella on koko ajan sekä määrätty paikka että nopeus.
Arjen esineillä todennäköisyys olla yhdessä tietyssä paikassa ja liikkua tietyllä nopeudella on hyvin iso ja todennäköisyys olla missään muualla ja liikkua millään toisella nopeudella hyvin pieni, eli ne näyttävät käyttäytyvän klassisen fysiikan mukaan. (Ei tosin oikein ymmärretä miksi.) Mutta pienessä mittakaavassa –ja varhaisessa maailmankaikkeudessa– epämääräisyys on merkittävää.
Kosmisesta inflaatiosta on vastuussa jokin kenttä –ehkä Higgsin kenttä, ehkä joku toistaiseksi tuntematon kenttä– joka panee avaruuden laajenemaan kiihtyvällä nopeudella.
Kuten hiukkasen paikalla, kentän voimakkuudella ei ole yhtä määrättyä arvoa, vaan eri arvoja eri todennäköisyyksillä. Tätä arvojen epämääräisyyttä sanotaan kvanttivärähtelyiksi. Kun kentän voimakkuudesta tulee määrätty (ei tiedetä miten tämä tapahtuu), sen arvot eri paikoissa määräytyvät tämän todennäköisyysjakauman mukaan. Inflaation lopussa hajoaa tavalliseksi aineeksi, ja paikoissa, joissa kentän arvo on isompi, syntyy enemmän ainetta, ja niihin kehittyy galakseja. Inflaatiota ajaneen kentän arvojen todennäköisyysjakauma on siten painettu galaksien jakaumaan, ja myös kosmiseen mikroaaltotaustaan.
Nopeus, jolla kentän arvo muuttuu inflaation aikana, on sekin epämääräinen. Kentän muutosnopeus liittyy kentän arvoon samalla tavalla kuin hiukkasen nopeus liittyy hiukkasen paikkaan: mitä määrätympi on yksi, sitä epämääräisempi on toinen.
Inflaation aikana todennäköisyys pusertuu siten, että kentän arvosta tulee yhä tarkempi ja muutosnopeudesta yhä epämääräisempi. Samalla kuitenkin kentän arvo määrää muutosnopeuden yhä tiukemmin, eli ne ovat yhä vahvemmin kytköksissä.
Tämä ei ole ristiriitaista, vaikka siltä voi aluksi tuntua. Tilannetta voi verrata korkealta pudotettuun kiveen. Jos tietää, missä kohtaa kivi on, tietää tarkasti myös sen nopeuden, jos tuntee gravitaation ja ilmanvastuksen. Mutta nopeuden tietäminen ei anna yhtä tarkkaa tietoa kiven paikasta sen pudottua jonkin aikaa, koska ilmanvastuksen takia nopeus on alkuvaiheen jälkeen melkein sama paikasta riippumatta. Siis pieni muutos paikassa ei juuri vaikuta nopeuteen, mutta pieni ero nopeudessa tarkoittaa hyvin erilaista paikkaa.
Klassisessa fysiikassa paikalla ja nopeudella on tarkasti määrätty arvo, eli jos tietää yhden tismalleen, niin tietää toisenkin tismalleen. Mutta jos molemmilla olisi vain todennäköisyysjakauma, ja paikan todennäköisyys olisi keskittynyt yhteen arvoon, niin nopeuden todennäköisyysjakauma olisi hyvin lavea. Juuri näin käy inflaatiossa kentän arvon ja muutosnopeuden suhteen. Kentän nopeus lähestyy vakiota kuin putoavan kiven nopeus, joten pieni muutos kentän arvossa johtaa isoon muutokseen nopeudessa.
Kvanttioptiikan tutkijat kutsuvat tällaista systeemiä erittäin kvanttimekaaniseksi, koska se näyttää hyvin erilaiselta kuin klassinen systeemi, jossa paikka ja nopeus ovat suunnilleen yhtä epämääräisiä. (Gravitaatioaaltojen havaitsemisessa muuten käytetään fotoneita, joiden todennäköisyys on tällä tavoin puristunut.)
Kosmologit sen sijaan kutsuvat tällaista systeemiä klassiseksi. Tämä johtuu siitä, että kun mitataan kentän arvo, tiedetään myös sen muutosnopeus aika tarkkaan, eli näyttää siltä kuin molemmilla olisi määrätty arvo, kuten klassisessa fysiikassa. Jos mitattaisiin kentän nopeus, tilanne olisi tietysti toinen, mutta kentän nopeudesta ei jää jälkiä galaksien jakaumaan ja mikroaaltotaustaan, toisin kuin sen arvosta.
Kaiken kaikkiaan tulos on turhauttava: kvanttiefektit ovat inflaation aikana merkittäviä, mutta niiden todentaminen on hankalaa.
Ei kuitenkaan tiedetä tarkkaan, miten inflaatio on tapahtunut, ja on esitetty inflaatiomalleja, joissa kentän kvanttiluonteesta jää galaksien jakaumaan ja kosmiseen mikroaaltotaustaan leima. Toistaiseksi nämä mallit ovat melko koukeroisia, eikä niitä ole tarkoitettu realistisiksi, vaan osoittamaan, että on periaatteessa mahdollista mitata rakenteen siementen kvanttiluonne taivaalta, ja ideat kehittyvät koko ajan.
Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten hedelmällisistä tutkimussuunnista löytyy usein yllättäviä yhteyksiä ja tuoreita tuloksia. Inflaatio kehitettiin vuonna 1980 selittämään, miksi maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta kaikissa suunnissa. Tuskin kukaan arvasi, että tähän kysymykseen vastaaminen johtaisi siihen, miten todellisuuden kvanttiluonteen voi mitata taivasta katsoen – ja ehkä myös siihen, miksi maailmankaikkeuden tila nykyään näyttää määrätyltä eikä epämääräiseltä.
(Gravitaatioaaltojen havaitsemisessa muuten käytetään fotoneita, joiden todennäköisyys on tällä tavoin puristunut.)
2017 kirjoitit gravitaatioaalloista. Kommentoinnista:
Lentotaidoton: Kiitoksia. Tuossahan tuo tuli sanotuksi: However, by using a crystal with non-linear optical properties, it is possible to prepare a special state of light where most of the uncertainty is concentrated in only one of the two variables. Such a crystal can convert normal vacuum to ”squeezed vacuum”, which has phase fluctuations SMALLER than normal vacuum! At the same time, the amplitude fluctuations are larger, but phase noise is what really matters for LIGO.
Räsänen: Tämä epämääräisyyden pienentäminen yhdelle muuttujalle ja kasvattaminen toiselle on muuten sattumoisin avain siihen, että inflaation aikaisista kvanttivärähtelyistä (jotka toimivat kaiken rakenteen siemeninä) tulee melkein klassisen näköisiä. (Tästä ehkä toiste enemmän!)
Kiitos, tosiaan.
Valon tapauksessa tosiaan paikkaa vastaan aallon korkeus ja nopeutta sen vaihe.
Mikä on käsitys tällä hetkellä: oliko mitään muita kenttiä olemassa inflaation aikana, vai alkoivatko ne vaikuttaa vasta inflaation lopun aikoihin?
Ei tiedetä. Monen kentän inflaatiomalleja on tutkittu paljon, mutta toistaiseksi niitä ei tarvita havaintojen selittämiseen, yksi kenttä riittää.
Miten tiedepiireissä nykyään suhtaudutaan nollaenergiseen universumiin, joka olisi syntynyt suuresta kvanttifluktuaatiosta?
Se on yksi spekulaatio muiden joukossa. Idea ei ole ollut kovin hedelmällinen, eikä ole päätynyt osaksi kosmologien työkalupakkia, toisin kuin inflaatio. Mutta voihan sen aika vielä tulla.
Teorian epäsuosio hieman ihemetyttää. Eikö tästä teoriasta saada tutkimuksellista tarttumapintaa vai onko se ristiridassa muiden teorioiden kanssa?
Minusta ajatusta puoltaa se, että nykyisen universumin laajenemiseen laskelmoitu tyhjiön energiatiheys näyttäisi juuri tällä hetkellä olevan osapuilleen yhtä suuri kuin materian energiatiheys. Se selittyisi, jos positiivinen inflaatioenergia aina kompensoi negatiivista gravitaatioenergia niin, että universumin nettoenergiasta tulee nolla. Kiihtyvään laajenemiseen olisi syynä, että negatiivinen gravitaatioenergia on kasvanut itsearvoltaan massakeskittymissä.
Muistettakoon, että tämä kommenttiosio ei ole paikka omien teorioiden esittelyyn.
Teoriat maailmankaikkeuden syntymisestä tyhjästä olivat osa kvanttimekaniikan yksinkertaista soveltamista koko maailmankaikkeuteen. Tällainen soveltaminen ei juuri tehnyt ennusteita eikä muutenkaan ollut hedelmällistä. Ennusteiden osalta inflaatio on ajanut ohi tällaisista ideoista (jotka eivät toki ole ristiriidassa inflaation kanssa) ja kvanttifysiikan ja suhteellisuusteorian yhdistämisen osalta säieteoria ja vähemmässä määrin silmukkakvanttigravitaatio ovat noidenn ideoiden perillisiä.
On ymmärrettävää, että varhaisessa tiheässä universumissa kvanttivärähtelyt ovat antaneet siemenet materian jakaumaan. Selittääkö inflaatioteoria sen enempää kvanttikenttäteorian yhteyttä gravitaatioon?
Jos Higgsin kenttä on mahdollisesti aiheuttanut inflaation, voisiko sama kenttä määrittää suhteellisuusteorian aika-avaruuden geometrian? Jos kenttä antaa massan tietyille hiukkasille, vaikuttaako massa myös kentän arvoon?
Inflaatiossa aika-avaruuden ja kentän pieniä poikkeamia keskiarvosta käsitellään kvanttikenttinä kaarevassa aika-avaruudessa (gravitaatio on aika-avaruuden kaatevuuden ilmentymä).
Inflaatio ei kerro mitään kvanttikenttien ja gravitaation yhteydestä näitä pieniä poikkeamia lukuunottamatta. Rakenteen siementen lisäksi se kuvailee vain kvanttivärähtelyistä syntyviä gravitaatioaaltoja, ks. http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/maljan_jaljilla
Aika-avaruuden geometria määräytyy sen ainesisällöstä, eli mikä ikinä kenttä on vastuussa inflaatiosta juurikin määrittää aika-avaruuden geometrian inflaation aikana. Kiihtyvä laajeneminen on aika-avaruuden geometrian ilmentymä (ja laajeneminen ylipäänsä).
En ole varma ymmärränkö kysymystä siitä vaikuttaako massa kentän arvoon. Minkä massa? Yleensä minkä tahansa hiukkasten massako? Massa vaikuttaa gravitaation kautta kaikkeen mitä aika-avaruudessa on.
Tarkoitin kysymyksellä aiheuttaako esim. minkä tahansa massan liikkuuminen muutosta sitä ympäröivän Higgsin kentän energia-arvoihin ? Pitäisikö gravitaatioaallot näkyä aaltoina Higgsin kentässä?
Yleisesti ajatellaan, että Higssin efektissä energiaa siirtyy tyhiiöstä hiukkaseen. Energian säilymisen puitteissa efekti laskisi hiukkasen ympäröivää tyhjiön energiapotentiaalia (tämä lause omaa spekulointia), mikä voisi näkyä Higssin kentässä.
Kyllä ensimmäiseen, mutta nykymaailmankaikkeidessa vaikutus on mitättömän pieni.
Gravitaatioaalloilla ei ole massaa, ja ne häiritsevät Higgsin kenttää mitättömän vähän.
En ole varma, mihin ”Higgsin efekti” viittaa. Higgsin mekanismissa (jolla hiukkaset saavat massansa) energiaa ei siirry tyhjöstä hiukkasiin.
Kiitokset vastauksista. Higgsin mekanismia tarkoitin (efektiä käytetty jossain synonyyminä ja enkä löydä nyt tieteellistä julkaisua tyhjiöenergiaan liittyen). Higssin mekanismissa Higssin potentiaali laskee pienimpään arvoon (kaiketi negatiiviseksi) eli kentän energia pienenee massan saaneen bosonin kohdalla.
Higgsin potentiaalin minimiarvo on nolla, ei negatiivinen.
Higgsin kentän arvo määrää sekä hiukkasten massat ja Higgsin kentän energiatiheyden, mutta nuo kaksi asiaa eivät muuten liity toisiinsa. Hiukkasten massat eivät vähennä kentän arvoa.
Räsänen: Ei tiedetä. Monen kentän inflaatiomalleja on tutkittu paljon, mutta toistaiseksi niitä ei tarvita havaintojen selittämiseen, yksi kenttä riittää.
Tulee heti mieleen tietysti suomalaiset. Eli Kari Enqvistihän oli mukana kehitelmässä, jossa toisena kenttänä (Higgsin lisäksi) on ns kurvatoni kenttä. Vaikka käsittääkseni se ei itse ”aja” inflaatiota mutta luo sille kaareutumishäiriöitä itse inflatonikentän (mikä se sitten onkin) hajottua. Osaatko sanoa vieläkö tämä jo 20 vuotta vanha kehitelmä on ”hapessa”?
Kari Enqvist ja silloinen huonetoverini Martin Sloth olivat tosiaan ensimmäiset jotka esittivät kurvatonikenttää. Heidän alkuperäinen ideansa tosin ei liittynyt inflaatioon, vaan nk. pre-big bang -skenaarioon. Sittemmin Enqvist (ja muut) on soveltanut ideaa myös inflaatioon.
Inflaatiokurvatonimalleja on moneen lähtöön, niistä osa sopii vielä havaintoihin, mutta mitään tukea idealle ei ole tullut. Kurvatoneilla on tiettyjä piirteitä (esimerkiksi kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien nk. epägaussisuus). Jos niitä olisi nähty, se tukisi kurvatoneja. Se, että niitä ei ole nähty heikentää niiden tenhoa, mutta ei osoita niitä vääriksi (koska piirteet voivat olla heikkoja).
Räsänen: Kurvatoneilla on tiettyjä piirteitä (esimerkiksi kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien nk. epägaussisuus). Jos niitä olisi nähty, se tukisi kurvatoneja. Se, että niitä ei ole nähty heikentää niiden tenhoa, mutta ei osoita niitä vääriksi (koska piirteet voivat olla heikkoja).
Kurvatonien epägaussisuudesta näkyykin olevan esim Tenkasen pro gradu (2013) https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/42000/Pro_gradu_Tommi_Tenkanen.pdf?sequence=2&isAllowed=y
Mielenkiintoista luettavaa, kannattaa lukaista. Tässä jokunen poiminta Tenkasen paperin epägaussisuudesta:
”On syytä korostaa, että kurvatoni ja inflatoni ovat kuitenkin vain kuvailevia malleja vailla hiukkasfysiikan motivointia, eikä niitä ole havaittu.
Havaintojen ensimmäisen asteen epägaussisuudelle tarjoamat rajat saattavat myös paljastua niin pieniksi, että tällaisen epägaussisuuden suorasta havaitsemisesta tulee periaatteessakin mahdotonta.
Kaarevuusperturbaation jakaumassa esiintyvää epägaussisuutta ei ole toistaiseksi havaittu, mutta havainnot asettavat tiukkoja rajoja poikkeamille gaussisesta tapauksesta . Olemme johtaneet ennusteen ensimmäisen ja toisen asteen epägaussisuudelle yhden kentän tapauksessa ja todenneet, että mikäli selvästi nollasta poikkeavaa toisen asteen epägaussisuutta tullaan joskus havaitsemaan, sulkee tämä pois sellaisen yhden kentän inflaatiomallin, jossa kaarevuusperturbaatio generoidaan inflaatiota ajaneen kentän inflaation aikaisista kvanttifluktuaatioista”.
Ehkä tähän on jo jossain vastattu, mutta kysymyksenä (ei omana teoriana), että universumin laajeneminen on johtanut samalla sen jäähtymiseen, miljoonista nykyisin kai 3 kelvinasteeseen. Jos laajeneminen jatkuu ja jos lämpöenergia on kvantittunutta, niin tuleeko edes teoriassa vastaan tilanne, jossa sen hetkisen lämpötilan ja absoluutisen nollapisteen välillä ei ole ”puoliväliä”, kvanttiteorian takia, vaan vaihtoehtona on, ettei laajeneminen (ja lämpötilan lasku voi jatkua) ikuisesti, vaan se pysähtyy kuin seinään. Eri alueilla eri aikaan.
Kysymys on vähän kaukana merkinnän aiheesta, joten en vastaa sen tarkemmin kuin ”ei”.