Einsteinin viimeinen unelma

Kirkkonummen Komeetta järjesti esitelmätilaisuuden, jossa Jyväskylän yliopiston fysiikan professori Jukka Maalampi kertoi aiheesta Einsteinin viimeinen unelma. Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta rahoitti esitelmän. Esitelmällä oli 46 kuulijaa.

Albert Einstein käytti suurimman osan tutkijanurastaan yhtenäisen kenttäteorian kehittämiseen pyrkien yhdistämään painovoiman ja sähkömagneettisen voiman kuvailun. Hänen suureksi pettymyksekseen tuloksena oli vain pitkä sarja epäonnistuneita yritelmiä, eivätkä hänen loistokkaat aiemmat saavutukset saaneet sitä suurta huipentumaa, josta hän haaveili. Vielä kuolinvuoteellaankin hän tutki laskelmiaan.

Miksi Einstein epäonnistui? Miksi ratkaiseva fysikaalinen periaate jäi keksimättä? Unelma yhtenäisteoriasta jäi kuitenkin elämään. Tekeekö nykyisin kiivaasti tutkittu supersäieteoria siitä viimeinkin totta?

Klikkaa kuvaa!
Professori Jukka Maalampi esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Seppo Linnaluoto.

Jukka Maalampi on Jyväskylän yliopiston fysiikan professori ja fysiikan laitoksen johtaja. Hän tutkii teoreettista hiukkasfysiikkaa, etenkin neutriinoja ja hiukkaskosmologiaa. Häneltä ilmestyi viime syksynä Ursan kustantamana kirja Maailmanviiva - Albert Einstein ja moderni fysiikka. Maalampi sai kirjasta Lauri Jäntin säätiön kunniamaininnan.

Einsteinin suuri vuosi 1905

Esitelmöitsijä aloitti kertomalla, että Einstein oli hankala opiskelija, jonka oli vaikea saada töitä valmistumisensa jälkeen Züricin Teknillisestä korkeakoulusta. Lopulta hän sai töitä Bernin patenttitoimistosta. Hänen tehtävänään oli tutkia patenttihakemuksia ja tehdä niistä lausuntoja edelleenvalmistelua varten.

Ollessaan Bernin patenttitoimistossa vuonna 1905 Einstein teki viisi julkaisua, joista mikä hyvänsä olisi tehnyt hänestä maailmankuulun.

Ensiksikin hän teki väitöskirjakseen julkaisun molekyylien koosta. Tuolloin atomien ja molekyylien todellisuus oli kiistanalainen. Toinen tähän aihepiiriin kuuluva julkaisu oli Brownin liikkeestä. 1800-luvulla oli huomattu, että pienet hiukkaset poukkoilivat nesteessä holtittomasti. Einstein osoitti laskelmillaan, että veden molekyylit saavat hiukkaset tekemään satunnaista siksak-liikettä. Einstein selitti myös, miten ilmiön avulla voidaan arvioida vesimolekyylien koko.

Einstein kolmas julkaisu oli valon fotoniteoriasta eli valokvanteista. Se loi perustan kvanttifysiikalle, 1900-luvun tärkeimmälle fysiikan ajatusrakennelmalle. Tämä siitäkin huolimatta, että Einstein ei myöhemmin hyväksynyt kvanttimekaniikkaa. Kuuluisa on Einsteinin lausahdus: "Jumala ei heitä noppaa". Mutta Einsteinin fotoniteoria selitti hyvin valosähköisen ilmiön, sen että voimakaskaan valo ei irrota elektroneja aineesta, vaan siihen vaaditaan riittävä taajuus.

Eittämättä tunnetuin kuitenkin on Einsteinin esittämä suppea suhteellisuusteoria. Aika ja matka eivät ole absoluuttisia, vaan ne riippuvat liiketilasta. Teorian ilmiöt tulevat näkyviin kun nopeus on lähellä valon nopeutta 300 000 km/s. Valon nopeus on riippumaton valolähteen liiketilasta.

Syksyllä 1905 Einstein johti maailman kuuluisimman kaavan, E=mc^2. Energian säilyminen on fysiikan tärkeimpiä periaatteita. Energia voi muuttaa muotoaan, mutta sen määrä ei muutu. Kaava yhdistää energian säilymiseen massan. Kun massaa syntyy tai katoaa, suuri määrä energiaa katoaa tai syntyy. Tämä mm. selittää tähtien energiatuotannon. Vuonna 1905 mitään tällaista ei kuitenkaan tunnettu.

Klikkaa kuvaa!
Kuva Seppo Linnaluoto

Nyt Einstein nousi fyysikoiden eturiviin. Hän mm. otti osaa Solvay-konferenssiin 1911, johon otti osaa fyysikoiden kerma, yli 20 eturivin fyysikkoa. Esitelmöitsijä huomautti näyttäessään kuvaa osanottajista, että lähes poikkeuksetta näillä fyysikoilla oli viikset (myös luennoitsijalla oli viikset).

Yleinen suhteellisuusteoria 1915

Vuonna 1915 Einstein esitti jos mahdollista vieläkin mullistavamman teorian, yleisen suhteellisuusteorian. Se on vallankumouksellinen painovoimateoria. Sen mukaan aika ja avaruus ovat kaareutuneita, mikä on painovoiman ominaisuus.

Isaac Newton esitti 1687 painovoimalakinsa. Se on erittäin tarkka teoria, mutta kuitenkin vain likiarvo. Aurinkokunnassa tunnetuin poikkeus on Merkuriuksen periheliliike.

Yleinen suhteellisuusteoria ennusti myös valon tapumisen, kun se kulki Auringon läheltä. Tämä havaittiin vuonna 1919 auringonpimennyksen yhteydessä. Tapaus teki Einsteinista yhdellä iskulla maailmankuulun.

Vuonna 1922 Einstein sai fysiikan Nobelin palkinnon erikoisesti valosähköilmiön selittämisestä. Palkinnon perusteluissa viitataan myös suhteellisuusteoriaan, mutta koska se oli siinä vaiheessa vielä kiistanalainen, se ei ollut pääperuste.

Klikkaa kuvaa!
Professori Maalammen esitelmää kuunteli 46 kuulijaa. Kuva Seppo Linnaluoto.

Mittainvarianssi

Einsteinin tutkimusten pääkohde 1918-1955 oli suuri yhtenäisteoria, jossa hän halusi yhdistää sähkömagnetismin ja painovoiman. Asialle oli kaksi lähestymistapaa, mittainvarianssi sekä viides ulottuvuus.

Mittainvarianssi oli Riemannin geometrian yleistys, jota kehitteli Herman Weyl vuonna 1918. Se perustui geometriaan yleisen suhteellisuusteorian tapaan. Herman Weyl kirjoitti Einsteinille: "Uskon onnistuneeni johtamaan gravitaation ja sähkömagnetismin yhteisestä lähtökohdasta". Einstein piti teoriaa kiinnostavana, mutta osoitti sen epäfysikaaliseksi, siis vääräksi. Einstein alkoi kehitellä sitä itse.

Einstein siirtyi fysikaalisuudesta enemmän ja enemmän matemaattisuuteen. Hän totesi 1933: "Matematiikka on varsinainen luova periaate." Ja muutamaa vuotta myöhemmin: "Matemaattinen yksinkertaisuus on ainoa luotettava totuuden lähde."

Herman Weyl esitti uuden version 1929, jossa mittainvarianssi koskee kvanttimekaanisia aaltofunktioita. Einstein ei seurannut tätä tietä, koska ei hyväksynyt kvanttimekaniikkaa.

Viides ulottuvuus

Theodor Kaluza lähetti Einsteinille 1919 tutkimuksen, jossa hän laajensi aikapaikka-avaruuden viisiulotteiseksi avaruudeksi. Tämä oli geometrinen tapa yhdistää gravitaatio ja sähkömagnetismi.

Oskar Klein esitti 1926, että viides ulottuvuus oli käpristynyt hyvin pieneksi. Nykyään puhutaan Kaluzan-Kleinin teoriasta.

Suomalainen Gunnar Nordström oli kuitenkin esittänyt ajatuksen viidennestä ulottuvuudesta jo vuonna 1914, siis jo ennen Einsteinin yleistä suhtreellisuusteoriaa. Sitä ei kuitenkaan pantu merkille ja teoria unohtui.

Viimeinen unelma

Einstein ajautui pettymyksestä toiseen. "Minut on vallannut tämän ongelman takia varsin masentunut tunne". Ja "Matematiikka on kaunista ja hyvää, mutta luonto vetää meitä nenästä" Einstein kirjoitti.

Useaan otteeseen Einstein uskoi päässeensä ratkaisuun, mutta aina hän joutui perääntymään. "On kuin maa olisi vedetty altani" Einstein kirjoitti. Vielä kuolinvuoteellaan 1955 hän pohdiskeli yhtenäisteoriaa.

Missä sitten oli syy Einsteinin epäonnistumiseen? Hän luotti liikaa itseensä. Hän onnistui monessa, miksei tässäkin! Hän ei uskonut kvanttimekaniikkaan, eikä seurannut fysiikan kehitystä. Hän eristäytyi lähes täysin. Ja lopuksi kenties tärkein syy, tehtävä oli vaikea!

Klikkaa kuvaa!
Albert Einstein vuonna 1947. Kuva Wikipedia.

Einsteinin unelma elää nyt säieteoriassa. Se on uusin yritys yhtenäisen teorian luomiseksi. Hiukkaset eivät olekaan pistemäisiä, vaan pieniä säikeenpätkiä kymmen- tai yksitoistaulotteisessa avaruudessa. Kuitenkaan säieteorialle on vaikea löytää ratkaisevaa kokeellista testiä. Sama ongelma oli aikoinaan suppealla ja yleisellä suhteellisuusteorialla. Kenties ratkaiseva koe löytyy!

Seuraava Kirkkonummen Komeetan esitelmätilaisuus järjestetään yhdessä Kirkkonummen Kansalaisopiston kanssa ja se on tiistaina 6.3. Kirkkonummen Koulukeskuksen auditoriossa klo 18.30. Kustannuspäällikkö Markus Hotakainen puhuu aiheesta Mars, ruostunut jääpallo. Vapaa pääsy.

Seppo Linnaluoto