Universumimme voi olla vain yksi pieni kupla monimuotoisessa multiversumissa.
 

Kaiken alku, ajan kulku, jään liukkaus, polkupyörällä ajo – kaikki ovat ilmiöitä, joiden edessä fyysikoiltakin menee sormi suuhun.

 

1. Mitä oli ennen alkuräjähdystä?

Uusi saattoi ponnahtaa vanhasta

 

Kuvittele, että painat nappulaa ja universumi alkaa kelautua alkuun. 200 miljardia galaksia, jotka nyt kiitävät yhä kauemmas ja kauemmas, syöksyvätkin takaisin. Kosmos kutistuu kuin puhjennut ilmapallo: nopeammin ja nopeammin, pienemmäksi ja pienemmäksi. Viimein se on rutistunut äärimmäisen kuumaksi, tiheäksi pisteeksi. Sitten – ei mitään.

Alkuräjähdysteorian mukaan maailmankaikkeus pamahti tyhjästä noin 13,8 miljardia vuotta sitten. Sama teoria on paras selityksemme sille, miksi universumi laajenee. Kosmologit ovat kyenneet kerimään tapahtumia alkusekunnin murto-osaan, mutta nyt he ovat jumissa.

Pulma on se, että käsityksemme aika-avaruudesta, eritoten painovoimasta, rakentuu Albert Einsteinin yleiselle suhteellisuusteorialle, kun taas hyvin varhaisen universumin oloja voi kuvata vain kvanttimekaniikalla.

Eikä kukaan tiedä, miten ne sovitetaan toisiinsa. ”Nykyiset säännöt eivät yksinkertaisesti toimi siinä ympäristössä. Missään ei ole enää mitään järkeä”, sanoo Carlo Contaldi Lontoon Imperial Collegesta.

Uusi ote ajasta

Alkoiko aika alkuräjähdyksestä? Vai oliko aikaa jo sitä ennenkin?

Jotkut penäävät, että jos kelaamme universumia taaksepäin tarpeeksi pitkälle, aika vain pysähtyy. Lee Smolin kanadalaisesta teoreettisen fysiikan Perimeter-instituutista ei kuitenkaan niele väitettä. ”Soma idea, mutta sen puolesta ei juuri ole todisteita”, hän sanoo.

Smolin on vakaasti sitä mieltä, että ajatus universumin alkupisteestä pitäisi hylätä kokonaan. Hänen mukaansa voimme kyetä selittämään, miksi universumi on sellainen kuin on, vain siten, että ennen alkuräjähdystä oli jotain. Kyse on syystä ja seurauksesta: tyydyttävät selitykset juontavat aiemmista tapahtumista, jotka johtivat juuri nykyisiin oloihin.

Yksi mahdollisuus on, että räjähdys olikin ponnahdus. Tässä vaihtoehdossa universumin keriminen alkuun ei päätykään pisteeseen, jossa on ääretön massa äärettömän pienessä tilassa, vaan jatkuu sen toiselle puolelle: se vie universumimme äärettömän kuuman, tiheän alun läpi sitä edeltäneen universumin kuumaan, tiheään loppuun.

Oletus, että ennen alkuräjähdystä oli jotakin, avaisi oven selityksille, miten universumistamme tuli juuri oikeanlainen elämälle. Muussa tapauksessa meidän täytyy hyväksyä, että täydellisen sopiva universumimme on pelkkä onnenpotku – tai vain yksi universumi multiversumissa, äärettömässä määrässä keskenään erilaisia universumeita. Pidämme omaa universumiamme erityisenä vain siksi, että satumme sijaitsemaan juuri siinä.

Tai ehkä alkuräjähdyksiä olikin monta? Jotkut olettavat, että universumimme kuplahti esiin kuohuvasta universumien merestä. Tämä näkökulma antaisi universumillemme alun, mutta tuottaisi samalla myös ikuisen multiversumin.

Voimmeko koskaan todella tietää? Smolin uskoo, että saatamme pian nähdä vihjeitä kosmisessa taustasäteilyssä, joka on peräisin universumimme varhaisvaiheesta. On myös mahdollista, että aika-avaruuden väreet, jotka tunnetaan gravitaatioaaltoina, selviävät alkuponnahduksesta.

Contaldi ei mahdollisista vihjeistä innostu. Hänen mukaansa tarvitsemme toimivan kvanttipainovoimateorian ja uuden käsityksen ajasta. ”Ilman niitä meillä ei ole työkaluja edes esittää kysymystä oikein.”

Douglas Heaven

 

 

 

Koko salaisuus ei ollutkaan pyörimisliikkeessä ja etuhaarukan asennossa.

 

2. Miten polkupyörä pysyy pystyssä?

Viimeinen sana vaatii aivotutkimusta.

 

Vuonna 2011 kansainvälinen tutkijaryhmä räväytti tiedolla, jonka mukaan kukaan ei tarkalleen tiedä, miten polkupyörä pysyy pystyssä – siitä huolimatta, että asiaa on ruodittu jo 150 vuotta.

Pyöräilijät olivat tipahtaa satuloistaan. Tiedekö ei osaa selittää näin helppoa hommaa?

Ei osaa, ainakaan kunnolla. ”Emme tiedä, mitä tarkasti ottaen vaaditaan, jotta kaksipyöräinen pitää itsensä vakaana”, täsmentää insinööri Andy Ruina Cornellin yliopistosta.

Polkupyörät onkin enimmäkseen kehitetty kokeilemalla käytännössä, millainen rakenne pelittää, millainen ei. Polkupyörän toiminnan matemaattiseen selittämiseen tarvitaan noin 25 muuttujaa, kuten etuhaarukan kulma suhteessa tiehen, pyörän painopiste ja renkaiden koko.

Aiemmin kuviteltiin, että kaksi muuttujaa riittää. Toinen on etäisyys pisteestä, jossa etupyörä koskettaa maahan, siihen pisteeseen, jossa ohjaustangon kuviteltu jatke osuu etuhaarukan kautta maahan. Toinen taas on hyrrävoima, joka vaikuttaa pyörivään pyörään ja estää sitä kallistumasta.

Ajokelvoton kulki

Yhtälö monimutkaistui, kun Ruina kollegoineen pui pyörän matematiikkaa tarkemmin. Työryhmään kuuluivat muun muassa Arend Schwab hollantilaisesta Delftin teknisestä yliopistosta ja Jim Papadopoulos yhdysvaltalaisesta Wisconsin-Stoutin yliopistosta.

Ryhmä teki myös prototyyppejä polkupyöristä, joissa hyrrävoimat ja etuhaarukan vaikutus oli kumottu. Teknisesti pyörien piti olla ajokelvottomia, mutta kaikkien yllätykseksi ne pysyivät silti pystyssä.

Tutkijat yrittävät edelleen kiihkeästi selvittää, miksi. Sitä varten Ruina rakensi muun muassa kaksipyöräisen ja kolmipyöräisen risteytyksen. Siinä on muunneltavat apupyörät, joilla pyöräilijän käsitystä maakosketuksesta voi muutella. Virityksellä Ruina yrittää selvittää, miten ajaja oikein hallitsee pyöräänsä.

”Uskon, että polkupyöräilyn perinpohjaiseen ymmärtämiseen tarvitaan myös aivotutkimusta”, Papadopoulos lisää.

Pyöräilijät nimittäin tekevät intuitiivisesti kaikennäköistä, jotta kulkupeli pysyisi tiellä ja tasapainossa. Esimerkiksi hyvin hitaassa vauhdissa tajuamme, että ohjaustanko on nyt hyödytön, ja ohjaammekin sen sijaan pyörää venkuttamalla polviamme.

Mistä tämä sitten johtuu? Sitä tutkijat eivät tiedä.

Michael Brooks

 

 

 

Arkimaailman maito sopii aamiaispöytään.

 

3. Mihin asti kvanttilait pätevät?

Kissa on liian suuri koekappaleeksi.

 

Kun kaadat aamiaismuroihin maitoa, se ei samanaikaisesti päädy tai ole päätymättä niihin. Sinäkään et voi olla kahdessa paikassa yhtä aikaa, vaikka kuinka yrittäisit.

Tässä ei tietenkään ole mitään yllättävää – ennen kuin ottaa huomioon, että kvanttimekaniikan lakien mukaan alkeishiukkaset, kuten elektronit, tekevät moisen tempun rutiinilla.

Jos kerran elektronit voivat pulpahtaa esiin useammassa paikassa samaan aikaan, mikseivät maito tai ihmiset – jotka perimmiltään ovat alkeishiukkasten rykelmiä – voi tehdä samoin?

Aaltofunktio apuun

Tämän erikoislaatuisen ominaisuuden, kvanttioutouden, purkaminen kannattaa aloittaa niin kutsutusta kaksoisrakokokeesta. Siinä elektronisuihkut suunnataan levyyn, jossa on kaksi rakoa. Luulisi, että elektronit pujahtaisivat aina jommastakummasta raosta ja osuisivat levyn takana tiettyyn pisteeseen. Näin ei kuitenkaan tapahdu.

Silloin kun tutkijat eivät tarkkaile yksittäisiä elektroneja, suihku kulkeekin samanaikaisesti molemmista raoista, samaan tapaan kuin kulkee valo. Tästä kielii levyn taakse muodostuva kuvio, joka koostuu tummista ja vaaleista raidoista. Sellaisen muodostavat valoaallotkin, kun ne kohdatessaan vahvistavat tai heikentävät toisiaan.

Elektronitkin voivat siis olla olemassa sekä aaltoina että hiukkasina yhtä aikaa – ilmiö tunnetaan aalto-hiukkasdualismina.

Eikä outous pääty tähän. Jos tutkijat nimittäin tarkkailevat levyn toista rakoa, elektronit kulkevat vain tämän raon läpi. Levyn taakse ei enää muodostukaan raitakuviota vaan täplä. Elektronit ovat hylänneet aaltoluonteensa ja käyttäytyvät kuin hiukkaset.

Fyysikot selittävät tätä aaltofunktiolla. Tämä matemaattinen kehitelmä kuvaa todennäköisyyttä, jolla kvanttiobjekti on kullakin hetkellä tietyssä tilassa tai paikassa.

Kun hiukkanen altistetaan mittauksille, sen aaltofunktion sanotaan romahtavan. Hiukkanen ei enää voi olla siellä ja täällä vaan sen tiedetään nyt olevan yhdessä tietyssä paikassa tai tilassa. Mittaamisen lisäksi romahduksen voi laukaista mikä tahansa ympäristön häiriö, kuten värinä tai lämpötilan vaihtelu.

Tämä johtaa häiritsevään päätelmään: jos molekyyli, vaikkakin satojatuhansia kertoja suurempi kuin elektroni, eristetään tarpeeksi hyvin ympäristöstään, se saattaisi käyttäytyä kvanttilakien mukaan.

Tutkijat ovatkin jo havainneet yllättävän suuria kohteita – jopa paljain silmin nähtäviä metallinsiruja – jotka ovat kahdessa tilassa samanaikaisesti.

On silti ilmeistä, että kun esine tai olio on tarpeeksi suuri, se menettää kvanttiominaisuutensa. Kuten Erwin Schrödinger huomautti, olisi absurdia väittää, että kissa voi olla sekä kuollut että elossa.

Mutta missä raja kulkee?

Rajan veto vaikeaa

”Jotkut fyysikot sanoisivat, että koon rajaa lompakkosi”, sanoo fyysikko Andrew Briggs Oxfordin yliopistosta. Tarpeeksi hienoilla koejärjestelyillä tutkijat voivat luotettavasti karsia ympäristön aiheuttamat häiriöt ja osoittaa yhä suurempien kohteiden noudattavan kvanttilakeja. Briggs testaa oxfordilaiskollegojensa kanssa kvanttikäyttäytymisen rajoja tarkemmin kokein kuin kukaan aiemmin.

Briggs ei odota ratkaisevansa ongelmaa lähiaikoina. Tämä johtuu osin vaikeudesta määritellä ”järjestelmä” kvanttimekaniikassa. Tarkkaan ottaen joku tai jokin, joka tarkkailee kvantti-interferenssiä, tulee osaksi järjestelmää. Tämä taas tekee hankalaksi päätellä, missä koossa kvanttivaikutukset häviävät.

”Ainahan voi väittää, että havainnoijakin on kvanttitilassa”, Briggs heittää.

Joshua Howgego

 

 

 

Jos aika ei oikeasti kulu, osaisiko psykologi kertoa, miksi meistä tuntuu siltä.

 

4. Miksi kuljemme ajassa eteenpäin?

Fysiikka ei tunne koko ilmiötä.

 

Ei ihme, että ajan sanotaan kuluvan: se kulkee ohitsemme kuin virta. Vaikka pysyisimme liikkumatta paikoillamme, tapahtumat lipuvat ohitsemme tulevaisuudesta nykyisyyden kautta menneisyyteen.

Isaac Newtonille tämä olikin perustotuus. ”Kaikkea liikettä voi kiihdyttää tai hillitä, mutta absoluuttisen ajan virtaaminen ei ole altis millekään muutoksille”, hän kirjoitti.

Miten aika kuluu ja miksi aina samaan suuntaan? Monen fyysikon mielestä kysymys on hölmö. ”Ajatus, että ajan voisi jollakin mielekkäällä tavalla sanoa kuluvan, on täysi floppi”, sanoo Huw Price Cambridgen yliopistosta.

Jotta aika kuluisi, sen pitäisi tehdä niin jollakin nopeudella. Nopeutta taas mitataan ajan muutoksena. Eli miten nopeasti aika kuluu?

Kosmologi George Ellisillä Cape Townin yliopistosta on tähän vastaus: ”Sekunnin sekunnissa”.

Pricen mielestä tällainen vastaus on merkityksetön. Vaikka aika pysyisi paikoillaan, voitaisiin silti väittää, että jokaisena kuluvana sekuntina kuluu sekunti. Jos taas kuluminen olisi näin määriteltävissä, voisimme väittää, että avaruuskin kuluu: se ohittaa meidät metrin metrillä.

Fysiikka uusiksi

Ellisillä onkin vastassaan yksi menestyksekkäimmistä fysiikan teorioista: Einsteinin suppea suhteellisuusteoria.

Se osoitti, ettei havaitsijasta riippumatonta samanaikaisuutta ole olemassa. Vaikka olisit nähnyt asioiden tapahtuvan järjestyksessä A, B, C, niin joku toinen toisella nopeudella liikkunut olisikin voinut havaita, että ensin tapahtui C, sitten B ja viimeiseksi A.

Ilman samanaikaisuutta taas ei ole mitään keinoa määrittää, mitkä asiat tapahtuvat ”nyt”. Jos taas ei ole ”nyttiä”, niin mikä liikkuu ajan läpi?

Objektiivisen nykyhetken pelastaminen on musertava tehtävä.

Lee Smolin Perimeter-instituutista on yrittänyt sitä lipsumalla hiukan suhteellisuudesta. Smolinin mukaan voimme kirjoittaa fysiikan uudelleen siten, että se sisältää ”nytin”, jos uhraamme samalla muutamia objektiivisia käsityksiämme avaruudesta.

Useimmat fyysikot eivät tätä sulata. Yleisesti hyväksytyn näkemyksen mukaan aika on enemmän tai vähemmän muuttumaton ulottuvuus, joka läpäisee koko avaruutemme.

”Universumin jokaisella hetkellä on menneisyys, nykyisyys ja tulevaisuus”, sanoo Sean Carroll Kalifornian teknisestä yliopistosta Caltechista. ”Henkilön voi kuvata hetkien historiana, ja jokaisena noista hetkistä tuntuu, että liikumme menneisyydestä tulevaisuuteen.”

Tästä kehkeytyy uusi kysymys. Jos aika ei kulu, mikä saa meidät ajattelemaan, että se tekee niin?

Michael Slezak

 

 

 

Säieteorian mukaan ulottuvuuksia jäi piiloon sykeröihin, jotka eivät koskaan auenneet.

 

5. Miksi avaruus on kolmiulotteinen?

Ainakin se sopii tuntemillemme luonnonvoimille.

 

Vaan onko se? Teoreettisessa fysiikassa tämä ei ole tyhmä kysymys. ”En tiedä yhtään matemaattista syytä, miksi juuri kolmiulotteinen avaruus olisi sen johdonmukaisempi kuin jokin muu”, sanoo Leonard Susskind Stanfordin yliopistosta Kaliforniasta.

Susskind on yksi säieteorian pioneereista. Säieteoria on tähän mennessä paras yritys nivoa kaikki fysiikan alueet toisiinsa – ja ehkä tunnetuin malli, josta löytyy ylimääräisiä ulottuvuuksia. Yksi säieteorian merkillisyys on se, että jos sitä sovelletaan vähempään kuin yhdeksään ulottuvuuteen, matematiikka villiintyy: se ennustaa rajuja heilahteluja, jotka repivät universumin.

Toisaalta taas ylimääräiset ulottuvuudet voivat selittää, miksi painovoima täällä kolmessa ulottuvuudessa on niin heikko muihin perusvoimiin verrattuna. Saattaa nimittäin olla, että sitä vuotaa muihin ulottuvuuksiin. Lisäulottuvuudet auttaisivat ymmärtämään sitäkin, miksi universumin laajeneminen kiihtyy.

Ehkä olisikin fiksumpaa kysyä, miksi avaruudella on kolme näkyvää ulottuvuutta?

Kellummeko kalvolla?

Yksi säieteorian ajatuksista on, että universumi oli alussa äärettömän pieni yhdeksänulotteinen säiepallo. Vain kolme sen säikeistä kääriytyi auki, muut jäivät tiukasti paketoituna kolmiulotteisen avaruuden jokaisen pisteen sisään.

Voi olla, että 3D-universumimme sijaitsee jollakin braanilla, yhdellä kalvonkaltaisista pinnoista, joita kelluu moniulotteisessa kaikkeudessa. Lisa Randall Harvardin yliopistosta ja Andreas Karch Washingtonin yliopistosta Seattlesta ovat osoittaneet, että moniulotteisessa avaruudessa törmäilevillä braaneilla on taipumus muodostaa juuri kolmiulotteisia braaneja – mikä tavallaan selittäisi, miksi näemme universumin, jossa on juuri kolme ulottuvuutta.

Muihin ulottuvuuksiin karkaavat hiukkaset saattaisivat napata mukaansa energiaa niistä ulottuvuuksista, jotka näemme. Cernin LHC-törmäytin on etsinyt merkkejä tällaisesta katoavasta energiasta, toistaiseksi siinä onnistumatta.

Epäonnistuminen risoo Carlo Rovellia ranskalaisesta Aix-Marseillen yliopistosta. ”Idea, jonka mukaan avaruudessa olisi enemmän kuin kolme ulottuvuutta, esitettiin yli puoli vuosisataa sitten, ja se on tuottanut enemmän pettymyksiä kuin tuloksia”, hän sanoo.

Pakko peruuttaa

Joten päädymme takaisin kysymykseen: miksi vain kolme ulottuvuutta? Ehkäpä siksi, etteivät jotkin osat universumistamme toimisi muuten. Esimerkiksi havaitsemamme kvanttioutous (ks. kysymys 3) on mahdollista vain kolmiulotteisessa avaruudessa.

Ja jos ulottuvuuksia olisi jokin toinen määrä, sähkömagneettinen voima ja painovoima olisivat erilaisia. Esimerkiksi vähemmällä kuin kolmella avaruusulottuvuudella painovoima ei johtaisi vetovoimiin. Atomit, planeetat ja tähdet eivät muodostuisi kunnolla, emmekä olisi tässä pähkäilemässä ulottuvuuksien olemassaoloa.

Syntyikö tämä uteliaisuutemme mahdollistava 3D-universumi osana multiversumia, jossa jokainen mahdollinen universumityyppi on olemassa – niin kuin säieteoria ehdottaa – vai onko se ainoa laatuaan?

”Olisipa hienoa, jos tietäisimme. Toistaiseksi emme tiedä.” Randall sanoo.

Richard Webb

 

 

 

Kokeissa koetetaan vapauttaa kvanttiaalloista valoa puristamalla aallonpituutta kokoon äkisti.

 

6. Voiko tyhjästä saada energiaa?

Laboratoriokokeissa yritetään nyhjäistä.

 

Riippuu siitä, mitä tyhjällä tarkoitetaan. Esimerkiksi tyhjiö, joka meidän muiden mielestä on typötyhjä, on fyysikoiden mukaan täynnä toimintaa.

Kvanttiteorian mukaan aaltokenttien vaihtelu tuottaa kaiken aikaa tyhjiöön hiukkasia ja antihiukkasia, jotka kohdatessaan tuhoavat heti toisensa. Tyhjiössä on siis jatkuvaa säpinää. Sitä on jopa tähtienvälisen avaruuden ”tyhjyydessä”.

Vuonna 1948 hollantilaisfyysikko Hendrik Casimir esitti, että jos kaksi yhdensuuntaista metallilevyä asetetaan tyhjiössä liki toisiaan, niiden välissä on vähemmän kvanttiaaltoilua kuin niiden ulkopuolella. Näin siksi, että levyjen ulkopuolella kaikki aallonpituudet ovat mahdollisia mutta välissä vain levyjen etäisyyttä pienemmät. Syntyy voima, joka työntää levyjä yhteen. Tämä voima on hyvin heikko, mutta se on kyetty havaitsemaan.

Fotoneja ponnahtaa

Fyysikot, kuten Chris Wilson Waterloon yliopistosta Kanadasta, ovat sittemmin yrittäneet todistaa, että Casimirin ilmiön avulla on mahdollista vapauttaa piilevää energiaa. Ideana on, että kun levyt puristetaan tyhjiössä tarpeeksi nopeasti yhteen, kvanttivaihtelusta pullahtaa ulos fotoneja, valohiukkasia.

Ikävä kyllä pienintäkään kappaletta ei kyetä kiihdyttämään valtavaan nopeuteen, joka tähän tarvittaisiin. Vuonna 2011 Wilson kollegoineen testasi ideaa nopeasti muuttuvan sähkövirran avulla. Hän käytti miniatyyripeilejä, jotka singahtivat yhteen valon nopeuden neljäsosassa.

Pari fotoniakin ponnahti tyhjästä – siis energiaa, olkoonkin säälittävän vähän. ”Peili ikään kuin potkaisi hiukkasen olevaisuuteen”, Wilson selittää.

Koe kuitenkin nieli enemmän energiaa kuin synnytti. Silti Casimirin ilmiön valjastaminen hyötykäyttöön on teoriassa edelleen mahdollista – ja pienikin onnistuminen voisi riittää pitkälle.

Muuntelemalla peilipintoja aaltokenttiä voidaan manipuloida siten, että paine puskeekin niitä erilleen. Tämä käänteinen Casimirin ilmiö olisi kätevä, kun valmistetaan kytkimiä nanokoon laitteisiin. Toistaiseksi sähkövarauksen synty liikkuvien osien väliin kuitenkin sotkee ilmiön.

Wilson hienosäätää paraikaa koettaan vastatakseen kritiikkiin, jonka mukaan hän sai aikaan vain koelaitteen lämpenemisen tuottamaa energiaa. Jos hän pystyy osoittamaan, että syntyneet fotonit ovat lomittuneet toisiinsa kvanttimekaniikan edellyttämällä tavalla, hän todistaa, että tyhjästä voi todella nyhjäistä jotakin.

Joshua Howgego

 

 

 

Onneksi lasitaiteilijan työ on luoda, ei selittää.

 

7. Mitä lasi on?

Molekyylien kaaos lukittuu jäähtyessään.

 

Älä usko, jos matkaopas kertoo sinulle legendaa keskiaikaisten kirkkojen ja katedraalien ikkunoista. Ne nimittäin eivät ole paksumpia alaosastaan sen tähden, että lasi olisi valunut hissuksiin satojen vuosien aikana, vaan epätasaisuus syntyi jo niiden valmistusvaiheessa.

Lasi ei ole hidasta nestettä. Se on kiinteää ainetta, joskin sellaiseksi kummallista. Sitä kutsutaan amorfiseksi, koska sillä ei ole järjestynyttä molekyylirakennetta kuten muilla kiinteillä aineilla. Silti se on liian jäykkää, jotta se kelpaisi nesteeksi. Itse asiassa veisi miljardi vuotta, jotta edes muutama atomi lasiruudusta hievahtaisi paikoiltaan.

Se, miten lasi muuttuu nesteestä amorfiseksi, on kuitenkin edelleen osin hämärän peitossa.

Äkkimuutos puuttuu

Yleensä, kun materiaalit muuttuvat nestemäisestä olomuodosta kiinteiksi, niiden molekyylit järjestyvät räpäyksessä uudelleen. Nesteessä molekyylit liikuskelevat vapaasti, sitten naks, ja ne ovat lukittuneet tiukkaan muodostelmaan.

Lasin tie lasinpuhaltajan punahehkuisesta nesteestä kiinteäksi, läpinäkyväksi aineeksi, josta juomme ja jonka läpi kurkistelemme, on erilainen. Äkkimuutoksen sijaan molekyylien liike hidastuu tasaisesti, kun lämpötila laskee. Aine säilyttää nesteen järjestymättömän rakenteen, mutta omaksuu kiinteän aineen fysikaalisia ominaisuuksia. Kaikissa lasilajeissa on nesteen kaoottinen rakenne lukittuna paikoilleen. Tämän omituisuuden taustalla olevaa tapahtumaketjua ei vielä tunneta. ”Selitysten määrä on likipitäen sama kuin tutkijoiden määrä”, sanoo Hajime Tanaka Tokion yliopistosta.

Yksi mahdollisuus on energiansäästö. Termodynamiikan lakien mukaan jokaista molekyylijoukkoa ajaa pyrkimys järjestyä tavalla, joka vie vähiten energiaa. Lasissa jotkin molekyyliryhmät onnistuvat tässä paremmin kuin toiset, mikä johtaa erilaisiin muodostelmiin – ja lopputuloksena kaoottiseen rakenteeseen.

Toisaalta lasin omituisuus voi juontua myös taipumuksesta lähentyä maksimaalista epäjärjestystä, mikä on täysin mahdollinen selitys. Tosin on pakko kysyä, miten sitten kiteiset kiinteät aineet oikein pysyvät koossa.

Tanaka ei anna periksi. Hän uskoo, että lasi saattaa muodostua hyvinkin samanlaisella tavalla kuin kiteet.

Gilead Amit

 

 

 

Vielä tovi sitten luistelijaa auttoi kitkalämmön sulattama vesi.

 

8. Miksi jää on liukasta?

Pintaan syntyy kerros – mutta kerros mitä?

 

Jää luistaa fyysikoidenkin alta. Yleisesti hyväksytty näkemys sen liukkaudesta on, että jäällä on pieni kitka, koska sitä peittää ohut vesikalvo. Sen ansiosta luistelijat kykenevät liitelemään ympäri areenaa mutteivät lattialla.

Kimurantti osuus on selittää, miten tämä nestekerros muodostuu. Tutkimusta aiheesta on tehty kauan.

Alkusysäyksen antoi kesäkuussa 1850 Michael Faraday. Hän esitti Lontoon kuninkaallisen instituutin yleisölle, miten painamalla kahta jääpalaa yhteen saa aikaan yhden jääpalan. Hänen mukaansa ilmiö johtuu niiden väliin ilmestyvästä vesikalvosta, joka jäätyy nopeasti.

Vuosikaudet ajateltiin, että tämän vesikerroksen synnyttää paine. ”Todellisuudessa lihavankaan luistelijan koko paino yhdellä terällä ei saa aikaan tarpeeksi painetta, jotta havaittua sulamista tapahtuisi”, sanoo Anne-Marie Kietzig kanadalaisesta McGill-yliopistosta. ”Matematiikka ei natsaa”, hän täsmentää.

Pääroolin saa sen sijaan kitka. Terän liikkeestä jäällä syntyy helposti tarpeeksi lämpöä, jotta jäätä sulaa. Hieno juttu, asia ratkaistu!

Ei kiinteää, ei nestettä

Changqing Sun Nanyangin teknisestä yliopistosta Singaporesta on kuitenkin eri mieltä. Hänen mukaansa jää on liukasta silloinkin, kun seisot paikoillasi, joten kitka ei voi selittää liukkautta.

Sun pitää vääränä oletusta, että jäätä peittävä liukas kerros on nestettä. Hänen mukaansa kerrosta pitäisi kutsua ”superkiinteäksi kalvoksi”, koska veden heikot sidokset ovat venyneet mutta, toisin kuin nesteessä, yksikään niistä ei ole katkennut.

Sun väittää, että tämä sidosten piteneminen tuottaa hylkivän sähköstaattisen voiman pinnan ja luistimen terän väliin. Hän vertaa vaikutusta sähkömagneettiseen voimaan, jonka avulla maglev-junat leijuvat ilmassa. Toinen esimerkki ilmiöstä on ilmanpaine, jonka kantosiipialus pakkaa alleen.

Sunin malli auttaisi selittämään useita vesikerroksen ominaisuuksia, kuten sen huomattavan pienen kitkan. ”Uskon, että ongelma on täysin ratkaistu”, Sun sanoo.

Valtaosa jäätutkijoista ei ole vakuuttunut. Hokkaidon yliopiston Gen Sazaki, joka vuonna 2013 ensimmäisenä suoraan todensi kerroksen olemassaolon, kutsuu kerrosta kvasinesteeksi. Hänen mukaansa se on vaihe kiinteän ja nesteen välissä, mutta sen syntytavassa on vielä selittämistä.

”Todellisuus on paljon monimutkaisempi kuin oletimme”, Sazaki sanoo.

Gilead Amit

 

 

9. Kauanko protoni elää?

Avainhiukkasen tuhoa on turha odottaa.

 

Hiukkasfysiikan raamattu The Review of Particle Physics omistaa useita sivuja tavoille, joilla protoni voisi hajota. Mekin atomeinemme koostumme protoneista, joita pidetään tavallisen aineen kulmakivinä. Protonien hajoaminen merkitsisi kaiken näkyvän aineen tuhoutumista.

Jokaiseen ehdotettuun hajoamistapaan sisältyy arvio, miten kauan pitäisi odottaa, että yksi protoni tuhoutuisi. Yksiköt ovat 10 potenssiin 30 eli tuhansia miljardeja miljardeja miljardeja vuosia.

Universumi-kloppimme on vain 13,8 miljardia vuotta vanha, joten tieteellisesti sanoen kukaan ei ole koskaan nähnyt protonin hajoamista.

Yritetty kyllä on. Super-Kamiokande on 50 000 tonnia ultrapuhdasta vettä sisältävä allas vuoren uumenissa Keski-Japanissa. Se on yksi paikoista, joita tutkijat vahtivat nähdäkseen protonin kuoleman.

Viime vuonna ryhmä julkisti tuoreimman teoreettisen arvion siitä, kuinka usein eräs erityisen ahkerasti tutkittu hajoamistapa esiintyisi: kerran 5,9 x 1033 vuodessa.

Voisi ajatella ihmisten olevan tyytyväisiä siitä, että hiukkaset, joista meidät on tehty, ovat vakaita. Niin ovat fyysikotkin: heidän standardimallinsa hiukkasten vuorovaikutuksista toteaa, että protonien, jotka koostuvat kolmesta kvarkista ja ovat hiukkasista keveimpiä, ei pitäisi hajota koskaan.

Jännät paikat käsillä

Miksi ”ei koskaan” ei sitten riitä? Koska harva uskoo, että standardimalli on enää täysin ajan tasalla. Niin kutsutut suuret yhtenäisteoriat tarjoavat kattavamman selityksen kolmesta luonnonvoimasta – painovoima puuttuu joukosta – protonin hajoamisen hinnalla.

”Se onkin suuren yhtenäisteorian merkki”, huomauttaa teoreetikko Benjamin Allanach Cambridgen yliopistosta.

Nämä kunnianhimoiset mallit ennustavat, että protonin pitäisi elää kutakuinkin 1030–1035 vuotta. Ennuste osuu juuri siihen haarukkaan, jota tutkijoiden kokeet nyt tarkastelevat.

”Olemme saapumassa todella kiinnostavalle alueelle. Jos teoriat ovat oikeita, meidän pitäisi nähdä protonin hajoaminen”, Allanach sanoo.

Odotus voi olla pitkä. Jos protonin minimielinikä venyykin kymmenkertaiseksi, sitä pitää myös tarkkailla kymmenen kertaa kauemmin.

Pitäisikö meidän olla huolissamme, jos protonit, joista rakennumme, osoittautuvat huteriksi? Ei oikeastaan. Kehomme on huono protonien observatorio.

”Olisi kyllä harvinainen tyyppi, jos sattuisi kokemaan protonin hajoamisen elinaikanaan”, Allanach tuumaa.

Sitä paitsi universumissa on niin paljon protoneja, että aika jättää meistä kauan ennen kuin niistä.

Richard Webb

 

 

10. Kuinka suuri on universumi?

Kenelläkään ei ole hajuakaan.

 

Maapallon koko on tunnettu antiikin Kreikasta asti. Tiedämme myös, kuinka isoja ovat Aurinko, aurinkokuntamme ja Linnunrata. Sen sijaan universumin koosta meillä ei ole hajuakaan.

”Havaittavan universumin koko on yksi tarkimmin tunnetuista asioista tähtitieteessä. Sen sijaan koko universumin koko tunnetaan kaikista huonoimmin ”, sanoo kosmologi Scott Dodelson Fermilabista Yhdysvalloista.

Yksi tapa hahmottaa havaittavan universumin kokoa on puntaroida, kuinka kauas alkuräjähdyksessä syntynyt säteily olisi ehtinyt matkata. Parhaiden kosmologisten mallien mukaan etäisyys on nyt noin 46 miljardia valovuotta. Se on kosminen ”horisontti”, kolmiulotteinen vastine kaksiulotteiselle horisontille, joka näkyy maapallolla.

”Sinne saakka pystymme empiirisesti havainnoimaan”, toteaa Adam Riess Johns Hopkinsin yliopistosta. Hän sai Nobelin palkinnon vuonna 2011 keksittyään kollegoineen, että universumin laajeneminen kiihtyy. ”Tosin olemme aika varmoja, että universumi jatkuu paljon kauemmas”, Riess jatkaa.

Äkkiloppu yllättäisi

Miksi niin? Koska universumi näyttää aika samalta, katsoit minne päin tahansa. Otetaan vaikka kosminen taustasäteily eli mikroaaltosäteily, joka juontuu alkuräjähdyksestä. Se on jakautunut suhteellisen tasaisesti kaikkeuteen, eikä ole mitään syytä olettaa, että asia muuttuisi kosmisen horisontin takana. Ei ole mitään merkkejä siitä, että universumi hissukseen häipyisi. Olisi siis melkoinen yllätys, jos se lakkaisi yhtäkkiä.

Daniel Eisenstein Harvard-Smithsonian-astrofysiikkakeskuksesta sanoo, että jos universumi jatkuisi ainoastaan hiukan havaittua ulommas, näkisimme merkkejä galaksien superjoukoista. Ne paljastuisivat rajuista vaihteluista kosmisen taustasäteilyn lämpötilakartassa. Koska sellaisia ei näy, universumi on todennäköisesti paljon suurempi kuin meidän havaitsemamme kulmakunta.

Jos näin on, Eisensteinin mukaan on vaikea selvittää, kuinka suuri se on. ”Se saattaa olla miljoona kertaa suurempi. Tai triljoona. Tai jopa ääretön.”

Ääretön universumi on meille vaikea käsittää. Erityisen hämmentävä on ajatus, että jos universumi on ääretön nyt, sen on täytynyt olla sellainen aina.