Yhdistymisen määräyksiä
Kurssin Fysiikkaa runoilijoille aiheista on tällä kertaa vuorossa kvanttikenttäteoria. Aiemmissa osissa on käsitelty klassista mekaniikkaa ja uudenlaista kauneuden muotoa, suppeaa suhteellisuusteoriaa ja vääriä ideoita, yleistä suhteellisuusteoriaa ja suurta järjettömyyttä sekä kvanttimekaniikkaa ja ymmärryksen rajoja.
Viime vuosisadan alussa kehitetyt kvanttimekaniikka ja suppea suhteellisuusteoria laajensivat klassista fysiikkaa eri suuntiin. Kvanttimekaniikka muutti käsityksen aineesta ja siitä, että todellisuus olisi määrätty, suppea suhteellisuusteoria yhdisti ajan ja avaruuden aika-avaruudeksi. Suppealla suhteellisuusteorialla ei ole aineesta juuri sanottavaa, eikä toisaalta kvanttimekaniikka koskenut klassisen mekaniikan käsitykseen absoluuttisesta ajasta ja avaruudesta.
Paul Dirac koetti jo 1920-luvulla sovittaa kvanttimekaniikkaa yhteen suppean suhteellisuusteorian kanssa ja löysi yrityksessä spinin ja antihiukkaset. Teoriat saatiin kuitenkin tyydyttävästi liitettyä vasta vuonna 1948, kun Richard Feynman, Julian Schwinger ja Sin’ichirō Tomonaga muotoilivat ”valon ja aineen ihmeellisen teorian”, kvanttielektrodynamiikan eli QED:n. QED oli ensimmäinen kvanttikenttäteoria.
Aiemmin erillisinä pidettyjen asioiden liittäminen yhtenäisteorioissa myös yleensä paljastaa uusia piirteitä. Kun James Maxwell 1860-luvulla liitti sähkön ja magnetismin sähkömagnetismiksi, hän yllättäen osoitti valon olevan sähkömagneettista aaltoliikettä ja ennusti näkymättömän valon.
Kvanttimekaniikka oli sumentanut käsitystä siitä, mitä hiukkaset ovat. QED selvensi tilannetta: hiukkaset eivät ole perustavanlaatuisia rakennuspalikoita, vaan kentät. Maxwellin sähkömagnetismi oli tuonut kentät hiukkasten rinnalle, QED:ssä niin aine kuin valo koostuu kentistä, hiukkaset ovat vain kenttien paikallisia tihentymiä.
QED:n tärkein uusi piirre oli se, että ensimmäistä kertaa teoria määräsi alusta alkaen, millaisia vuorovaikutuksia maailmassa on.
Klassisen mekaniikan ytimessä on Newtonin toinen laki. Se kertoo, miten kappale liikkuu, kun siihen kohdistuu tietty voima. Newtonin teoria ei kuitenkaan kerro, millaisia voimia kappaleiden välillä on, ne pitää erikseen keksiä tai määrittää kokeellisesti. Schrödingerin yhtälöllä on kvanttimekaniikassa sama rooli: se kertoo, miten hiukkasen aaltofunktio leviää avaruudessa, kun se on tietynlaisessa potentiaalissa. Potentiaali, kuten voima, on tapa kuvata hiukkasten vuorovaikutusta, eikä kvanttimekaniikka kerro, millaisia potentiaaleja on olemassa.
Kvanttikenttäteoriassa on toisin, sen rakenne rajoittaa tiukasti sitä, millaiset vuorovaikutukset ovat mahdollisia. QED:ssä on vain yksi mahdollinen perusvuorovaikutus. Se kertoo kaiken, mitä elektronit ja fotonit voivat tehdä keskenään, kuten valon siroaminen elektroneista, elektronien keskinäinen hylkiminen, elektronien ja positronien annihilaatio tai fotonien muuttuminen elektroni-positroni -pareiksi.
Lisäksi kvanttikenttäteoria rajoittaa sitä, millaisia hiukkasia on olemassa. QED sanelee fotonin ominaisuudet tismalleen. QED kuvasi vain fotoneita ja elektroneja (ja muita sähköisesti varattuja hiukkasia) ja sähkömagneettista vuorovaikutusta. Kun kvanttikenttäteoriaa on laajennettu kuvaamaan kaikkea ainetta ja vuorovaikutuksia (gravitaatiota lukuun ottamatta), niin se on rajoittanut myös ainehiukkasten ominaisuuksia ja olemassaoloa. Tämä helpottaa teorioiden rakentamista: mitä enemmän rajoitteita on, sitä helpompi on valita oikea suunta, ja mitä vähemmän valinnanvapautta teorian muotoilussa on, sitä ennustusvoimaisempi se on.
On mahdollista rakentaa erilaisia kvanttikenttäteorioita. Ensin valitaan symmetria, se kertoo, millaisia välittäjähiukkasia on olemassa sekä rajoittaa mahdollisia ainekenttiä ja niiden vuorovaikutuksia. Esimerkiksi hiukkasfysiikan Standardimallin rakenne vaatii, että elektronilla on parina neutriino.
Suppea suhteellisuusteoria eteni kvanttikenttäteorian lisäksi myös toiseen suuntaan yleisen suhteellisuusteorian myötä, kun aika-avaruudesta tuli aktiivinen toimija. Yleistä suhteellisuusteoriaa ja kvanttikenttäteoriaa ei ole vielä saatu kokonaan yhdistettyä siten, että myös aika-avaruutta osattaisiin kuvata kvanttifysiikan keinoin, vaikka kosmisessa inflaatiossa onkin päästy alkuun. Kvanttikenttäteoriaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa kuitenkin käytetään yhdessä siten, että edellinen kertoo, millaista ainetta on ja jälkimmäinen sen, miten aika-avaruus reagoi aineeseen, etenkin miten maailmankaikkeus laajenee. Tämä kuuluu kosmologiaan, joka onkin Fysiikkaa runoilijoille -sarjan seuraava aihe.
https://phys.org/news/2011-11-scientists-vacuum.html
Virtuaalisia fotoneja on jo transformoitu todellisiksi fotoneiksi lisäämällä sopivinkeinoin niiden energiaa. Massallisia hiukkasia ei ole saatu vielä muodostumaan massan tarvitseman suuremman energian johdosta. Kuitenkin joka tapauksessa todellisten hiukkasten voi ajatella syntyvän vakuumin virtuaalisten hiukkasten ”merestä”.
Se, mikä rupesi askarruttamaan, on tietömättömyyteni siitä, millaisten vuorovaikutusten avulla ”todellisista” hiukkasista koostuvan näkyvän maailmamme aines on saanut syntynsä virtuaalisesta, ja miten se tuntuu ryhmittyneen esim. esineiksi ja olevan varsin pysyvää laatua. Siis millaista olisi kansantajuinen kemian selittäminen kvanttikenttäteorian termein? (Englanninkielisin klikkauksin en heti löytänyt vastausta netistä).
En tiedä, onko ihmettelyni oikein viisasta, mutta askarruttaa vielä tämäkin. Pysyviä alkuaineita on noin sata, isotoopit eritellen monta sataa. Kaikilla niillä on omat, toisistaan usein paljon poikkeavat kemialliset ominaisuudet, jotka jotenkin johtuvat atomit koostavista erityyppisistä vakuumin eksitaatioista: protoneista, neutroneista jne., joita ei liene atomissa kovin monta erilaista. Kuitenkin niiden erilaisilla kokoelmilla, eri atomeilla, on suuret keskinäiset erot.
Tekisi mieli tietää, olisiko jo niiden perustana olevissa kentissä senkaltaisia eroja tai ominaisuuksia, että niiden eksitaatiot atomeiksi kertyneinä tuottaisivat suuret kemialliset ja materiafysikaaliset erot.
Alkuaineiden kemiallisten erojen merkittävin syy on se, että alkuaineilla on eri määrä elektroneja, jotka pinoutuvat eri tavalla ytimen ympärille. Tämä ei juuri liity merkinnän aiheeseen, joten ei siitä sen enempää.
https://arxiv.org/pdf/1507.08277.pdf
Olisiko soluautomaattirakenteella annettavaa kvanttikenttäteorioille?
Ehdotuksia fysiikasta kvanttikenttäteorian tuolla puolen on paljon, mutta ne eivät ole merkinnän aiheena, joten ei niistä sen enempää.
Kiitos mielenkiintoisesta blogistasi, odotan aina innolla uusia kirjoituksiasi!
Onko gravitoni täysin hypoteettinen alkeishiukkanen vai onko sillä jokin rooli standardimallissa? Jos gravitoni olisi gravitaation välittäjähiukkanen, mikä olisi Higgsin bosonin ja gravitonin ”työnjako” gravitaatiossa?
Gravitaatio ei ole osa Standardimallia, se kuuluu kokonaan yleiseen suhteellisuusteoriaan. Gravitaatio on aika-avaruuden ominaisuus, sitä ei kuvaa mikään aika-avaruudessa oleve kenttä. Gravitoni on eräs tapa kuvailla pieniä muutoksia yleisessä suhteellisuusteoriassa.
Higgsillä ei ole mitään tekemistä gravitaation kanssa. Higgsin kenttä antaa massat tunnetuille alkeishiukkasille (neutriinojen massojen alkuperästä ei tosin ole varmuutta), mutta gravitaatio kertoo, miten massat (ja muut aineen ominaisuudet) vaikuttavat aika-avaruuteen.
Kiitos, tämä selvensi.
Hei! Mitä tarkoittaa tuo ”pieniä muutoksia yleisessä suhteellisuusteoriassa” ? Minkälaisia muutoksia?
Se olikin epäselvästi ilmaistu, pari sanaa nähtävästi leikkautui vahingossa pois! Tuossa pitäisi lukea ”tapa kuvata pieniä muutoksia aika-avaruudessa yleisessä suhteellisuusteoriassa”. Ajatuksena on siis se, että heikkoja gravitaatioon liittyviä ilmiöitä (esimerkiksi Auringon gravitaatiokenttä tai gravitaatioaallot), niin niitä voi kuvata gravitonien avulla. Sen sijaan isoja muutoksia, kuten mustaa aukkoa, ei voi.
Jos virtuaalisten fotonien energiaa sopivalla tavalla (eränlaisella peilillä) kasvatetaan, saadaan reaalisia, havaittavia fotoneita; linkissä arasteleva ensiuutinen v. 2011:
http://www.nature.com/news/2011/110603/full/news.2011.346.html
Nyttemmin arvellaan, että muidenkin hiukkasten virtuaalisia muotoja (kenttien eksitaatioita) voitaisiin tehdä reaalisiksi riittävän lisäenergian avulla.
Herää kysymys, ovatko suurienergiaisten törmäytysten yhteydessä syntyvät reaalisten hiukkasten pilvet muodostuneet saman tapaisella tavalla? Eli ovatko useat eri hiukkaset ”odottaneet” virtuaalisina energialisää törmäyskohdan lähellä?
Millähän ”mekanismilla” em. hiukkaset saavat riittävästi törmäyksen energiaa muuttuakseen reaalisiksi? Lämpösäteilynä tai muiden fotonien muodossa?
Mieleen tulee myös epämääräinen kysymys, olisiko ajateltavissa, että myös gravitonit, jos sellaisia on, ja jos ne olisivat nyt virtuaalisia, saisivat reaalisemman hahmon vastaavalla energian lisäyksellä. Jos näin olisi, voisiko niiden reaalisista muodoista jotenkin arvioida eri kvanttigravitaatioteorioiden pätevyyttä?
Tämäkin lienee tyhmä kysymys: Voisivatkohan virtuaalisten hiukkasten ”meressä” jollain tavalla päteä reaalimaailman luonnonlait?
Virtuaaliset hiukkaset ovat kvanttikenttäteorian laskennallinen apuvälinen. Tarkemmin, ks.
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/naennainen_todellisuus