6.3 Fysiikan tulevaisuudennäkymiä
Puutteita fysiikan nykykäsityksessä
Yleinen suhteellisuusteoria on todettu paikkansapitäväksi kaikissa testeissä, ja sen ennustamat erityisilmiöt, musta aukko ja gravitaatioaallot, on havaittu. Vaikka suhteellisuusteoria on antanut selityksen monelle ilmiölle, on maailmankaikkeudessa tekijöitä, joiden olemusta ei ymmärretä. Näistä merkittävin on maailmankaikkeuden täyttävä pimeä energia.
Higgsin hiukkanen oli viimeinen standardimallin ennustama hiukkanen, jota ei oltu vielä havaittu. Sen löytymisen myötä standardimalli ennustaa hiukkasmaailmaan liittyvät havainnot. Standardimallin sisäiseen rakenteeseen liittyy kuitenkin ongelmia. Se ei pysty selittämään pimeää ainetta tai sitä, mitä antiaineelle tapahtui maailmankaikkeudessa. Standardimalli sisältää myös 27 toisistaan riippumatonta luonnonvakiota. Avoimet kysymykset viittaavat siihen, että teoria on vain approksimaatio jostain syvällisemmästä mallista. Nykyään oletetaan, että standardimalli on osa yhtenäisempää fysiikan teoriaa.
Konkreettinen ongelma on, että standardimalli ja yleinen suhteellisuusteoria eivät toimi yhdessä tilanteissa, joissa avaruuden kaareutuminen on voimakasta, eli ollaan mustien aukkojen lähellä tai tarkastellaan hyvin varhaista maailmankaikkeutta. Tämä on varma todiste siitä, että nykyinen malli maailmankaikkeudesta ei ole täydellinen.
Fyysikot ovat esittäneet lukuisia teoreettisia malleja, jotka ratkaisevat näitä ongelmia osittain. Täydellistä mallia ei ole esitetty, ja siksi edelleen esitetään erilaisia näkemyksiä, ja vaihdetaan ajatuksia. Pyrkimyksenä on löytää oikea suunta, johon tutkimuksen tulisi edetä. Alla on joitain ideoita, joihin suhtaudutaan toiveikkaimmin.
- Supersymmetria: Kaikilla hiukkasilla olisi muuten samanlainen, mutta huomattavasti raskaampi vastinhiukkanen. Tämä ratkaisisi useita standardimallin sisäisiä ongelmia.
- Säieteoria: Hiukkaset eivät olisikaan pistemäisiä, vaan nauhamaisia (joko avoimia "langanpätkiä" tai suljettuja "kumilenkkejä"). Maailmankaikkeudessa olisi 11 ulottuvuutta, joista osa olisi käpertyneenä niin pieneksi rullaksi, että havaitsisimme vain neljä ulottuvuutta. Ylimääräiset ulottuvuudet ja nauhamaisten hiukkasten värähtely niissä voisivat selittää hiukkasten ominaisuuksia. Säieteoria on keino yrittää selittää epätäsmällisyyksiä kuten esim., miksi kaikki hiukkaset eivät tunne samoja vuorovaikutuksia.
- Kvanttigravitaatio: Kvanttigravitaatioteoria selittäsi gravitaation kvanttifysiikan periaatteiden mukaisesti. Gravitaatio ei olisikaan pohjimmiltaan avaruuden muodon ominaisuus, vaan silläkin olisi välittäjähiukkanen, gravitoni. Kvanttigravitaatioteorian avulla voitaisiin ymmärtää singulariteettien fysiikkaa. Kvanttigravitaatioteoriaa tarvitaan, jotta mustien aukkojen keskuksista tai maailmankaikkeuden alkuhetkistä ymmärretään enemmän.
Havaintoja alkeishiukkasesta
Kaikki standardimallin hiukkaset on havaittu. Niistä vain kevyimmän luokan hiukkasia (ylös- ja alas-kvarkit, elektronit ja elektronin neutriinot) esiintyy tavallisessa aineessa. Muut hiukkaset on täytynyt luoda kokeellisesti. Hiukkasia syntyy hiukkaskiihdyttimissä, kun kaksi hiukkasta törmäytetään toisiinsa suurella nopeudella. Tällöin liike-energia voi muuttua massaksi ekvivalenssiperiaatteen [[$E=mc^2$]] mukaan. Mitä suurempi liike-energia on, sitä suurempimassaisia hiukkasia voi syntyä.
On mahdollista, että riittävän suurella energialla syntyisi jokin hiukkanen, jota standardimalli ei sisällä. Tällöin saataisiin kokeellisia todisteita siitä, miten mallia pitää laajentaa. Nykyisistä hiukkaskiihdyttimistä suurimmat energiat saavutetaan LHC:ssä, joka on ympyränmuotoinen kiihdytin Ranskan ja Sveitsin rajalla. Tunnelin kokonaispituus on 27 km. Viimeinen standardimallista puuttunut hiukkanen, Higgsin hiukkanen, havaittiin juuri siellä. LHC:ssä ei ole toistaiseksi saatu viitteitä standardimallin ulkopuolisista hiukkasista ja on mahdollista, että sen tuottama energia ei ole riittävä. Suuremman kiihdyttimen rakentamista hankaloittaa epätietoisuus etsittävien hiukkasten massasta ja rakennettavan kiihdyttimen koosta. LHC:n otto tutkimuskäyttöön oli valtava projekti, joka kesti runsaat parikymmentä vuotta ja vaati miljardien eurojen resurssin. Entistä suuremman kiihdyttimen rakentamiseen tulee siten olla hyvät perusteet. Alkuvuodesta 2019 ilmestyi raportti, joka luonnostelee CERNiin uutta FCC-hiukkaskiihdytintä, jonka tunnelin pituus olisi 100 km. Alustava kustannusarvio on 21 mrd. euroa. Rakentamista suunnitellaan aloitettavaksi 2040-luvulla.
The Future Circular Collider (CERN)
Hiukkaskiihdyttimessä ei havaita törmäyksessä syntyviä massiivisia hiukkasia suoraan, koska ne hajoavat hyvin nopeasti. Hiukkasen syntyminen päätellään hajoamistuotteista. Hiukkasen löytyminen perustuu tilastoanalyysiin, kun riittävällä varmuudella voidaan sanoa hiukkasen löytyvän mittaustuloksista. Havaintolaitteet tallentavat magneettikentässä liikkuvien törmäyksissä ja hajoamisissa syntyneiden hiukkasten radat. Ratojen muodosta voidaan päätellä esim. hiukkasten sähkövaraus sekä massa, ja näin tunnistaa hajoamistuotteet. Kiihdyttimen toimiessa täydellä teholla törmäyksiä tapahtuu n. 600 miljoonaa sekunnissa, joten pelkästään tulosten analysointi on suuri haaste. Tietokoneet on ohjelmoitu analysoimaan mittaukset automaattisesti ja hylkäämään suurimman osan tuloksista ei-kiinnostavina. Vain automatiikan alaa kiinnostavat tapahtumat nostetaan tutkijoille käsiteltäviksi. Ohessa on kuva törmäyksessä syntyneiden hiukkasten radoista. Törmäys on tapahtunut kuvan keskellä, missä on hetkellisesti syntynyt raskas hiukkanen. Vihreät ja keltaiset viivat ovat hajoamistuotteiden ratoja.
Vasemmalla on kuva yhdestä LHC:n mittalaiteyksiköstä, CMS-laitteesta. Keskellä kulkeva putki on kanava, jota pitkin törmäytettävät protonit kulkevat. Putken ympärillä on mittalaitteisto, joka havainnoi törmäyksessä syntyviä hiukkasia. Sisintä mittalaitteistoa ollaan juuri vaihtamassa. Huomaa kuvan mittakaava, eli laitteiston koko suhteessa työskenteleviin insinööreihin.
Kuva vasemmalla: © CERN / Collaboration
Kuva ylhäällä oikealla: © CERN / Maximilien Brice
Kuva ylhäällä oikealla: © CERN / ATLAS Collaboration
Havaintoja maailmankaikkeudesta
Sähkömagneettinen säteily eri aallonpituusalueineen (näkyvä valo, radioaallot, röntgensäteily jne.) on pääasiallinen tapa saada suoria havaintoja vähintään 380 000 vuotta vanhasta maailmankaikkeudesta. Tuota hetkeä aikaisemmin fotonit eivät päässeet kulkemaan vapaasti, koska elektronit eivät olleet vielä sitoutuneina atomiytimiin, ja fotonit sirosivat jatkuvasti vapaana olevista varauksellisista hiukkasista. Havainnot varhaisesta maailmankaikkeudesta olisivat tärkeitä, koska tuolloin olosuhteet ovat olleet juuri sellaisia, joita nykyfysiikka ei kuvaa, ja joista haluttaisiin saada kokeellista tietoa. Aine on ollut hyvin tiheää ja kuumaa, ja yleinen suhteellisuusteoria ja standardimalli ovat molemmat oleellisia tilanteen mallintamiseen.
Gravitaatioaaltojen havainnointi on uusi keino saada tietoa maailmankaikkeudesta. Ne ovat yksi yleisen suhteellisuusteorian monista ennusteista. Einstein ennusti niiden olemassaolon v. 1916. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan tiheät massakeskittymät kaareuttavat aika-avaruutta voimakkaasti. Niiden liikkuessa kaarevuus muuttuu tietyssä pisteessä: se voimistuu lähellä massakeskittymää ja heikkenee siitä etäännyttäessä. Einstein havaitsi, että massakeskittymän liikkeen aiheuttama muutos etenee ympäröivään aika-avaruuteen aaltomaisesti ja matemaattisesti, aivan samoin kuin veden pinnalla etenevä aalto. Tämä painovoima-aalto voitaisiin havaita siten, että sen kulkiessa mittausaseman läpi aseman pituus hetkellisesti hieman muuttuu.
Painovoima-aallot onnistuttiin havaitsemaan ensimmäisen kerran v. 2015. Havainto tehtiin LIGO-mittausjärjestelmällä. Sen mittausasemassa on kaksi 90 asteen kulmassa olevaa 4 km pitkää putkea, joiden päässä on peilit. Kun kumpaankin putkeen lähetetään identtinen valopulssi samanaikaisesti, ne tulevat takaisin samassa vaiheessa, ja havaitaan vahvistava interferenssi. Jos gravitaatioaalto kulkee aseman läpi, jompi kumpi putkista pitenee tai lyhenee, ja vahvistava interferenssi häviää. Laite kykenee havaitsemaan pituuden muutoksen, jos 4 km pitkä putki pitenee tai lyhenee edes 10-18 metriä. Eri puolille maapalloa on sijoitettu kolme LIGO-järjestelmän mittausasemaa, jotta voidaan päätellä aallon tulosuunta ja seurata sen etenemistä. Oikealla on kuva Yhdysvaltojen Hanfordissa sijaitsevasta asemasta. Asemia on tarkoitus rakentaa lisää. Mittausherkkyyttä voidaan kasvattaa perustamalla mitta-asema avaruuteen. Avaruuden mitta-asemassa putki korvattaisiin täsmälleen samalla etäisyydellä toisistaan pysyvillä satelliiteilla, joiden välillä valopulssit kulkisivat. Satelliitit voivat hyvin olla paljon kauempana toisistaan kuin 4 km, jolloin mittauksesta tulee yhä tarkempaa.
Video: LIGO:n havainto painovoima-aalloista (LIGO Lab Caltech)
Mittaustekniikan kehittyessä odotetaan gravitaatioaaltojen avulla saatavan paljon uutta tietoa maailmankaikkeudesta seuraavina vuosikymmeninä. Gravitaatioaallot pääsevät kulkemaan avaruudessa esteettömästi, ja siksi niiden ansiosta nähdään kauemmas menneisyyteen kuin sähkömagneettisen säteilyn avulla. Lisäksi niiden kautta odotetaan tietoa kohteista, jotka ovat muiden kohteiden takana tai sisällä. Tietoa odotetaan esim. galaksien keskustoissa sijaitsevista mustista aukoista.
Ensimmäiset havaitut painovoima-aallot olivat peräisin kahden mustan aukon törmäyksestä. Aukot kiersivät toisiaan ajautuen painovoiman vetäminä yhä lähemmäs, jolloin kierrosaika pieneni. Vasemmalla on sinisellä LIGO:n havaitsema aalto ja sen taustalla punaisella yleisen suhteellisuusteorian perusteella ennustettu aalto. Erimassaiset aukot tuottavat hieman erilaisia aaltoja. Tutkimalla, millainen aalto sopi parhaiten mittaustulokseen, voidaan päätellä yhteen sulautuvien mustien aukkojen massa. Pystyakselin yksikkö on havaintoputken pituuden suhteellinen muutos.
Alemmassa kaaviossa on esitetty vihreällä aukkojen suhteellinen nopeus. Suhteellinen nopeus lähestyy valonnopeutta aukkojen lähestyessä toisiaan. Etäisyys on esitetty samassa kaaviossa mustalla värillä.
Maailmankaikkeudesta 95 % on meille tuntematonta. Pimeää energiaa on alle 70 % maailmankaikkeuden energia-aine-sisällöstä ja pimeää ainetta n. 27 %. Tuntemamme aine on vain 5 % koko maailmankaikkeudesta. Standardimallin rakentumisen jälkeen sen osasten kokeellinen todentaminen kesti vuosikymmeniä, ja gravitaatioaallot löydettiin vasta sata vuotta niiden ennustamisen jälkeen. Ehkä olemme tehneet vasta kurkistuksen maailmankaikkeuden moninaisuuteen. Tulevaisuuden fyysikoille riittää paljon pohdiskeltavaa, mitattavaa ja tutkittavaa ennen kuin pääsemme näkemään, millainen maailmankaikkeus todella on, ja miten se rakentuu.