Moderni fysiikan ymmärryksemme perustuu kahteen kivijalkaan, kvanttiteoriaan ja yleiseen suhteellisuusteoriaan eli Albert Einsteinin teoriaan painovoimasta. Ongelma tässä on, että nämä kaksi ovat vähän kuin kahden eri henkilön jalkoja – ne eivät sovi yhteen.
Kvanttimekaniikka kuvaa luontoa kaikkein pienimmässä mittakaavassa, kun taas yleinen suhteellisuusteoria selittää, miten painovoima ja maailmankaikkeuden suurimmat osaset toimivat aika-avaruutta taivuttaen. Näitä kahta ”matemaattisesti yhteensopimatonta” teoriaa on yritetty turhaan sovitella yhteen jo vuosisadan. Suhteellisuusteoriaa ei ole saatu pätemään kvanttimaailmassa. Nyt University College Londonin (UCL) fyysikot uskovat päässeensä oikeille jäljille.
Johtava oletus on ollut, että yleisen suhteellisuusteorian on sopeuduttava kvanttimekaniikkaan, ja tämän oletuksen pohjalta tutkijat ovat vuosikymmeniä kehittäneet kahta johtavaa kandidaattia, säieteoriaa ja niin sanottua silmukkakvanttipainovoimaa. Samaan aikaan yleinen suhteellisuusteoria on pitänyt pintansa läpi kaikkien koettelemusten – tutkijat eivät ole onnistuneet löytämään siitä porsaanreikiä.
Erikoista uudessa teoriassa on, että se ei edellytä klassisen aika-avaruuden kvantittumista. Teorian on kehittänyt UCL:n fysiikan professori Jonathan Oppenheim kollegoineen. Tutkijat kuvailevat teoriaansa kahdessa tieteellisessä julkaisussa. Teorialle on annettu nimeksi ”klassisen painovoiman post-kvanttiteoria” (engl. postquantum theory of classical gravity), ja se muuttaa kvanttimekaniikkaa ennustamalla ennustettavuuden romahdusta, jota tutkijat kuvailevat aika-avaruudelle ”erottamattomaksi” ominaisuudeksi.
”Tämä johtaa satunnaisiin ja voimakkaisiin heilahteluihin aika-avaruudessa, jotka ovat suurempia kuin kvanttimekaniikan perusteella on kuviteltu.” Se tarkoittaa, tutkijat sanovat tiedotteessaan, että kappaleen näennäinen massa ei ole ennustettavissa, jos sitä mitataan riittävän tarkasti.
UCL:n fyysikot kertovat työskennelleensä ongelman parissa jo viiden vuoden ajan, ja nyt he kokivat olevansa valmiita esittelemään havaintojaan.
”Havainto haastaa käsityksemme painovoiman luonteesta, mutta tarjoaa reittejä tutkia sen kvanttiluonnetta”, sanoo tiedotteessa tutkimuksen toinen kirjoittaja Zach Weller-Davies.
”Olemme osoittaneet, että mikäli aika-avaruudella ei ole kvanttiluonnetta, aika-avaruuden kaareutumisessa täytyy olla satunnaisia heilahteluja, jotka jättävät tunnistettavia jälkiä, joita voidaan havaita kokeellisesti.”
Toisessa Nature Communications -tiedelehdessä julkaistussa artikkelissaan tutkijat tarkastelevat tapoja, joilla näitä jälkiä olisi mahdollista havaita. He kuvailevat esimerkiksi, kuinka teorian voivat vahvistaa tai romauttaa mittaukset Kansainvälisen paino- ja mittatoimiston yhden kilon standardipainosta ja siinä havaittavista pienen pienistä painon heilahteluista. Jos heilahtelut eivät ylitä tiettyä kynnystä, teoria voidaan kuopata, tutkijat sanovat.
Toinen koe voidaan tehdä tarkastelemalla raskasta atomia, kuten kultaa, superpositiossa kahdessa eri paikassa, tutkijat sanovat. ”Jos kvantittuneet hiukkaset, kuten atomit, voivat taivuttaa klassista aika-avaruutta, silloin on väistämättä olemassa hienovaraista vuorovaikutusta”, Weller-Davies sanoo.
Kilogramman prototyyppi ”Le Grand K” on tarkkaan varjeltu, 39,17 milliä korkea ja leveä lieriö. Se määritteli yli sadan vuoden ajan kilogramman tarkan painon. Se sai väistyä uuden, tarkemman ja fysiikkaan perustuvan määritelmän tieltä vuonna 2019. Kuva: BIMP
BIMP
UCL:n professori Sougato Bose sanoo tiedotteessa, että nyt esitetty teoria mittauksineen voi samalla auttaa vahvistamaan toisen fysiikan hypoteesin, jota kutsutaan gravitaation välittämäksi lomittumiseksi, joka osaltaan vahvistaisi, onko aika-avaruudella klassinen- vai kvanttiluonne. Lomittumista on perinteisesti pidetty puhtaasti kvanttimaailmalle tyypillisenä ominaisuutena, jolle ei ole vastinetta klassisessa fysiikassa. Painovoiman välittämästä lomittumisesta on kuitenkin tehty havaintoja aiemmin tänä vuonna Cernin tutkijoiden toimesta.
”Kokeet aika-avaruuden luonteen testaamiseksi vaativat suuren mittakaavan, mutta ne ovat valtavan tärkeitä meidän käsityksemme kannalta luonnon perusluonteesta. Uskon, että tällaiset kokeet ovat saavutettavissa. Niitä on hankala ennustaa, mutta kenties tiedämme vastauksen seuraavan 20 vuoden aikana”, Bose sanoo tiedotteessa. Hän ei ollut osallisena nyt julkaistuissa tutkimuksissa.
Teoria vaikuttaa luonnollisesti myös aika-avaruuden toiseen komponenttiin – eli aikaan. ”Tahti, jolla aika soljuu, muuttuu satunnaisesti ja heilahtelee”, Oppenheim sanoo The Guardianille. Hän kuitenkin painottaa, ettei aika kulje koskaan takaperin.
”Se on melko matemaattista. Sen kuvitteleminen mielessä on melko haastavaa.”
Teorian esittämä heilahtelu ja sen synnyttämä ennustettavuuden romahdus on Oppenheimin mukaan asia, josta ”monet fyysikot eivät pidä”. Heihin lukeutuvat myös fyysikot Carlo Rovelli ja Geoff Penington, jotka kuuluvat säieteorian ja silmukkakvanttipainovoiman uranuurtajiin. He ovat lyöneet vetoa Oppenheimin kanssa, että viimeksi mainitun teoria ei saa kokeellista vahvistusta.
”Spekulaatio on tervetullutta, etenkin jos niitä voi testata kokeellisesti. Mutta useimmat spekulaatiot osoittautuvat vääriksi”, Rovelli sanoo Guardianille.
”Mielestäni on hyvä, että Oppenheim tutkii tätä mahdollisuutta, vaikka se ei olekaan kovin todennäköinen. Mutta suuret väitökset ”uudesta teoriasta, joka ’yhdistää Einsteinin painovoiman kvanttimekaniikan kanssa’ kuulostavat mielestäni vähän liioitelluilta.”
Vain aika (ja massa) näyttää, onko Oppenheim kollegoineen todella onnistunut luomaan toistaiseksi tarkimman kuvauksen maailmankaikkeuden toiminnasta, vai ei.
Tutkimusraportteihin voit tutustua tarkemmin tästä [1], [2]. Lisää aiheesta UCL:n tiedotteessa.
Tilaa nyt TM:n uusi Tiede & teknologia -uutiskirje, niin saat kerran viikossa tärkeimmät tieteen ja teknologian uutiset!