Hyppää pääsisältöön

Nobel-tarinoita 6: David Gross - emme tiedä vieläkään millainen säieteoria on

David Gross vaimonsa kanssa

Säieteoriasta on povattu ratkaisua niin sanotuksi kaiken teoriaksi, kuvailuksi maailmankaikkeuden hiukkasista ja vuorovaikutuksista, painovoima mukaan lukien.
Fysiikan nobelistin David Grossin mielestä säieteorian kehittäminen on kimuranttia ja paljon vaikeampaa, kuin mitä aluksi ajateltiin.
”Tilanne on outo. Olemme tehneet töitä jo neljäkymmentä vuotta, emmekä silti tiedä millainen tämä teoria on”, hän ihmettelee.

Tilanne kuulostaa sekavalta, koska tutkijoiden pöydillä on kokonainen joukko erilaisia kandidaatteja säieteoriaksi. Oikeastaan teoriasta ei voida puhuakaan, koska sen työstäminen on pahasti kesken.

”Teoria sisältää aina yhtälöitä ja yhtälöiden avulla esitettyjä periaatteita, mutta säieteoriasta emme tiedä yleisiä periaatteita emmekä yhtälöitäkään. Niihin etsitään vasta ratkaisuja. Alkuaikoina, kun teoriaa lähdettiin etsimään, ajateltiin, että säikeet näyttävät venytetyiltä kappaleilta, jotka liikkuvat kvanttimekaanisesti aika-avaruudessa”, Gross kuvailee.

”Viimeisen vuosikymmenen aikana on ilmestynyt jopa satoja tapoja ratkaista säieteorian periaatteita ja yhtälöitä, ja jotkut niistä näyttäisivät kuvaavan säikeitä, mutta on myös ratkaisuja, jotka eivät muistuta säikeitä lainkaan vaan edustavat meille tutun hiukkasfysiikan standardimallin lähestymistapaa. Ne kaikki kuvaavat kuitenkin samaa teoriaa eri kulmista”, Gross jatkaa.

Fysiikassa kaivataan kaiken teoriaa

Hankaluuksista huolimatta säieteoria jaksaa kiinnostaa, koska se tuntuisi tarjoavan mahdollisuuden luoda kaivattu kaiken teoria, jossa kuvataan yksiselitteisesti maailmankaikkeuden aine ja neljä voimaa, heikko ja vahva vuorovaikutus, sähköinen vuorovaikutus ja gravitaatio eli painovoima.

Nykyisin käytössä oleva hiukkasfysiikan standardimalli on puutteellinen vaikka se fyysikoiden mielestä toimiikin hyvin. Siihen ei kuitenkaan ole saatu sovitettua painovoimaa.

Hiukkanen olisi kuin säie

Tyypillistä säieteoriaehdokkaille on, että niissä aineen perushiukkasten kvarkkien ajatellaan olevan säikeitä, eräänlaisia kumirenksuja tai venytettyjä jousia. Joskus niitä on verrattu myös kitaran kieliin.

”Säieteorian mukaan kvarkki on säie, joka värähtelee, mutta tuo säie on niin pieni että se näyttää pisteeltä”, Gross valottaa.

Atomiytimessä olevat protonit ja neutronit koostuvat kumpikin kolmesta kvarkista. Nykyfysiikan mukaan kvarkit ovat pistemäisiä, samoin elektronit.
”Kvarkit eivät näyttäisi nykykäsityksen mukaan koostuvan enää alakvarkeista eli niitä ei voida jakaa paloiksi. Niillä on vain oma geometrinen, pistemäinen rakenteensa, joka voisi olla säie tai lähellä värähtelevää säiettä”, Gross selventää.

Eri hiukkaset selitetään säikeen värähtelyinä. ”Kaunis piirre säieteoriassa on se, että säie voi värähdellä eri tavoin, ja kukin sen värähtely edustaa eri hiukkasta”, Gross selittää.

Avaruusulottuvuuksia olisi lukuisia

Venytetty kumirenksumainen värähtelevä säie pistemäisen hiukkasen korvaajana kuulostaa jännittävältä, mutta omituisuuksia on muitakin. Säieteorioissa on nimittäin enemmän avaruusulottuvuuksia kuin tuntemamme neljä, eli kolme avaruusulottuvuutta ja aika.

Säieteoreetikot ovat luoneet avaruuteen jopa yksitoista avaruusulottuvuutta tai enemmänkin, niitä voi olla jopa kaksikymmentäkuusi. Ne saattavat olla käpertyneenä niin ettemme havaitse niitä. Tietokoneen avulla on hahmoteltu erilaisia topologisia avaruusmalleja, kuten Calabi-Yaun topologia, jotka ovat seurausta matematiikasta. Joskus säieteorioita moititaankin pelkäksi matemaattiseksi selitysyritykseksi. Onko kyseessä vain matemaattinen teoria?

”Näin ei ole, säieteoria on fysiikkaa, ja matematiikkaa tarvitaan siihen vain kielenä, selittämään fysiikkaa. Säieteoria on alusta alkaen perustunut fysiikkaan. Sitä voi pitää yrityksenä rakentaa aivan uusi fysikaalinen teoria, jota meillä ei nyt siis vielä kylläkään ole”, Gross vastaa.

Calaby-Yaun avaruutta

”Joissakin säieteoriakehitelmissä ollaan tekemisissä ylimääräisten avaruusulottuvuuksien kanssa, ja toisissa taas ulottuvuuksia on vähemmän. Vähempikin määrä ulottuvuuksia riittää kyllä varsinaisen teorian kuvailuun, eli kolme ulottuvuutta, jotka me näemme ympärillämme, ja lisänä siihen päälle muutamia muita ulottuvuuksia, jotka näyttäytyvät hyvin pienessä mittakaavassa”, hän jatkaa.

Avaruudessa saattaa luurata kosmisia säikeitä

David Grossin mielestä säieteorian ratkaiseminen edellyttää uusia ajatuksia ja uudenlaista matematiikkaa, mutta vaikeimpana asiana hän pitää sitä, ettei säikeitä pystytä osoittamaan todeksi kokeellisesti. Ne ovat niin pieniä, etteivät ne tule esiin nykyisillä tutkimusmenetemillä. Mutta voisiko Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuslaitoksen CERNin erinomainen LHC-kiihdytin olla avuksi?

”Epäsuorasti LHC voi ehkä auttaa ymmärtämään näitä ongelmia. Eräs tärkeä säieteorian esiin tuoma piirre on uusi luonnon symmetria, supersymmetria. Tämä uusi symmetria löytyi säieteorian avulla ja se on tärkeä osa teoriaa, ja siksi puhutaankin supersäikeistä. Jos supersymmetriaa havaitaan CERNin kokeissa, se ei suoranaisesti kerro vielä mitään säieteoriasta mutta tekee siitä toki uskottavamman, koska supersymmetria on sen oleellinen osa", Gross vastaa.

Tällä hetkellä odotetaan jännityksellä, löytyykö supersymmetriaa CERNin hiukkaskokeissa. Keskustelu aiheesta on joka tapauksessa kiihtynyt viime vuosina. Se olisi askel eteenpäin ja auttaisi arvioimaan säieteorian merkitystä ja pohtimaan myös sen puutteita.

Gross nostaa esille myös toisen mahdollisuuden, kosmiset mittaukset. "On puhuttu niin sanotuista kosmisista säikeistä, joita kenties voisimme havaita avaruudessa. Ne olisivat pieniä avaruuden säikeitä, jotka avaruuden laajentuessa ovat venyneet valtavan suuriksi”.

Kosmisia säikeitä tietokonesimulaatiossa

”Kosmologit suhtautuvat intohimolla säieteorioihin, koska ainoa keino lähteä tutkimaan universumin dynamiikkaa on löytää hyvä teoria kvanttigravitaatiolle, ja säieteoria on ainoa keino siihen. Tämä on varsin keskeinen tutkimusaihe, ja jotkut erittäin hyvät säieteoreetikot tutkivatkin säikeitä kosmologiassa”.

Säieteoria on ollut herkullinen tutkimusaihe

David Gross on hiukkasteoreetikko, jonka työvälineitä ovat kynä, paperi ja joskus myös tietokonesimulaatiot. Hän puhuu mielellään säieteorioista pohdiskellen erilaisia vaihtoehtoja. Aihe on tuttu jo vuosien takaa, koska hän on ollut tutkimassa sitä alusta alkaen. Säikeiden parissa hän aloitti jo vastaväitelleenä tutkijana Harvardin yliopistossa 1960-luvun lopussa. Tuohon aikaan teorian ensipiirteitä vasta hahmoteltiin.

”Olin onnekas, kun sain tutkia säieteoriaa jo sen varhaisimmassa vaiheessa”. Monetkaan tutkijat eivät olleet perillä uudesta teorian poikasesta, ja siksi aihe oli herkullinen”, hän myhäilee.

Työ jäi häneltä kuitenkin hetkeksi unholaan, kun hän siirtyi tutkimaan kvanttikromodynamiikaksi kutsuttua fysiikan osa-aluetta. Siitä hänet palkittiin fysiikan Nobelilla vuonna 2004, yhdessä Frank Wilczekin ja David Politzerin kanssa.

Nobeliin johti työ, jossa Gross oppilaansa Frank Wilczekin kanssa havaitsi, että mitä lähemmäksi kvarkit tulevat toisiaan, sitä heikommaksi vahva vuorovaikutus käy niiden välillä.

Gross palasi säikeiden pariin uudestaan Harvardin jälkeen Princetonin yliopistossa, joka siihen aikaan oli säieteorioiden keskipisteessä. Sittemmin Gross on työskennellyt Kalifornian yliopiston teoreettisen fysiikan Kavli-tutkimuslaitoksessa Santa Barbarassa.

David Grossin haastattelu on tehty Lindaussa Saksassa Nobel Laureats Meetingissä, johon Gross on usein osallistunut ja pitänyt siellä mieleenpainuvia luentoja.

Kommentit
  • Euroopan tärkeimmän ravintokasvin, vehnän, ilmastokestävyys on heikentynyt

    Vehnän monimuotoiset lajikkeet - vastaus ilmastonmuutokseen.

    Juuri julkaistun tutkimuksen mukaan eurooppalaisen vehnän kyky sietää erilaisia ilmasto-olosuhteita on heikentynyt. Ravintokasvin ilmastokestävyys on tärkeä asia, koska ilmastonmuutos voimistaa sään vaihtelua ja ilmaston ääri-ilmiöitä. Vehnän pärjääminen ilmaston muutoksissa vaikuttaa mm. Euroopan ruokaturvaan sekä huoltovarmuuteen eri maissa. Mikä on suomalaisen vehnän kyky sietää erilaisia säitä?

  • Ihminen haluaa levittäytyä avaruuteen

    Menemmekö Marsiin vai asteroideille, kun Maassa ei voi elää?

    Astrobiologia on kiinnostunut meidän kaltaisen elämän löytämisestä avaruudesta. Mutta voisiko Maan elämä siirtyä avaruuteen ja pärjätä siellä? Tarjoavatko Mars ja asteroidit olosuhteet, joihin ihminen levittäytyy? Mitä elämä vaatii jatkuakseen avaruudessa? Tästä puhuvat dosentti Kirsi Lehto ja tutkimuspäällikkö Pekka Janhunen astrobiologiaa-sarjassa.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Uusimmat sisällöt - Tiede