Sata vuotta sitten fysiikka koki nopean joukon läpimurtoja, jotka mullistivat käsityksemme universumista. Viime aikoina ala vaikuttaa kuitenkin jämähtäneeltä. Samat peruskysymykset, jotka hämmentivät tieteilijöitä sata vuotta sitten, jatkavat meidän pohdittavinamme tänä päivänä. Erityisesti pimeän aineen mysteerit, kvanttimekaniikan todellinen merkitys ja painovoiman ja kvanttifysiikan välillä oleva käsittämätön harmonia ovat jääneet ratkaisematta.
Äskettäin toivoa ilmestyi Jonathan Oppenheimin työn myötä. Hän on kvanttiteorian professori University College Londonissa. Oppenheimin ainutlaatuinen näkökulma kiinnitti huomioni, sillä meillä on yhteinen intellektuaalinen historia mustien aukkojen ja niihin liittyvän informaatioparadoksin tutkimisessa. Vaikka tietömme juureen liittyvät syyt poikkesivatkin toisistaan, Oppenheimin ehdotus syyllistää painovoimaa tarjoaa mielenkiintoisen mahdollisuuden.
Oppenheim ehdottaa yksinkertaista, mutta radikaalia ajatusta: tuo painovoimaan satunnaisuus, samankaltaista kuin kvanttimekaniikan sisäänrakennettu ennalta-arvaamattomuus. Toisin kuin muut perusvoimat, kuten sähkömagnetismi sekä vahva ja heikko ydinvoima, jotka kuvataan kvanttisilla prosesseilla, painovoima pysyy klassisena teoriana, kuten Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria sen kuvailee. Se noudattaa determinismiä, jossa tulevat tapahtumat voidaan päätellä menneistä tapahtumista. Sen sijaan kvanttimekaniikka hyväksyy satunnaisuuden ja sisäisen epävarmuuden.
Einstein, determinismin voimakas kannattaja, uskoi, että kvanttimekaniikan satunnaisuus osoittaa perustavanlaatuista epätäydellisyyttä teoriassa. Hän toivoi löytävänsä klassisen teorian, joka voisi täysin selittää maailmankaikkeuden toiminnan. Vaikka yleinen suhteellisuusteoria onkin osoittautunut kokeellisesti menestyksekkääksi, se ei kykene käsittelemään tiettyjä luonnonilmiöitä, joissa kvanttielementit ovat mukana.
Esimerkiksi harkitse kuuluisaa kaksoisraosta kokeilua elektronien kanssa. Nämä hiukkaset osoittavat aaltohiukkasdualismia, mikä tarkoittaa, että ne voivat kulkea läpi molemmista raosta samanaikaisesti. Mutta jos elektroneilla on massa, joka aiheuttaa painovoiman vetovoiman, miten yleinen suhteellisuusteoria selittää niiden samanaikaisen esiintymisen kahdessa paikassa? Teoria ei pysty vastaamaan tähän kysymykseen.
Samankaltaisia vaikeuksia ilmenee yrittäessämme ymmärtää ilmiöitä kuten mustia aukkoja ja maailmankaikkeuden alkua. Einsteinin matematiikka ei yksinkertaisesti kykene käsittelemään näitä ääritapauksia. Fyysikot ovat pitkään etsineet teoriaa, joka voisi sovittaa yhteen kvanttimekaniikan ja painovoiman, tunnetaan nimellä ”kvanttigravitaatio”.
Vaikka 1930-luvulla tehtiin yrityksiä muotoilla kvanttiteoriaa painovoimalle, nämä ponnistelut kuitenkin epäonnistuivat. Richard Feynman ja Bryce DeWitt, muiden joukossa, tutkivat mahdollisuuksia kvantifioida painovoima olemassa olevien matemaattisten rakenteiden avulla. Valitettavasti niistä saatu teoria, jota kutsutaan häiriömäisesti kvantoituneeksi painovoimaksi, osoittautui riittämättömäksi, kun se laajennettiin ääritilanteisiin.
Huolimatta haasteista Oppenheimin ehdotus siitä, että satunnaisuutta tuotaisiin painovoimaan, avaa uusia tutkimuksen mahdollisuuksia. Hyväksymällä kvanttimekaniikan ennalta-arvaamaton luonne ja yhdistämällä se painovoimaan, voimme vihdoin löytää ratkaisun vuosisadan ajan vaivanneisiin ongelmiin. Vaikka edessä voi olla vaivalloinen tie, Oppenheimin työn innoittamana voimme uudistaa ponnistelumme ymmärtääksemme universumin mysteerit ja luoda uuden käsityksen fysiikasta.
Usein kysytyt kysymykset:
1. Mitkä ovat fysiikan tärkeimmät ratkaisemattomat mysteerit?
Fysiikan tärkeimmät ratkaisemattomat mysteerit koskevat pimeän aineen luonnetta, kvanttimekaniikan todellista merkitystä ja painovoiman sovittamista yhteen kvanttifysiikan kanssa.
2. Kuka on Jonathan Oppenheim?
Jonathan Oppenheim on kvanttiteorian professori University College Londonissa. Hän on tehnyt merkittäviä tutkimuksia mustien aukkojen ja niihin liittyvien informaatioparadoksien alalla.
3. Mikä on Oppenheimin ehdotus fysiikan mysteerien ratkaisemiseksi?
Oppenheim ehdottaa satunnaisuuden tuomista painovoimaan, samankaltaisesti kuin kvanttimekaniikan ennalta-arvaamattomuus. Tämä voisi mahdollisesti sovittaa yhteen kvanttimekaniikan painovoiman kanssa ja tarjota ratkaisuja pitkään ratkaisemattomissa olleisiin fysiikan ongelmiin.
4. Mikä on kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian välinen ero?
Kvanttimekaniikka on teoria, joka kuvailee hiukkasten käyttäytymistä atomi- ja subatomitasolla ja hyväksyy satunnaisuuden ja sisäisen epävarmuuden periaatteet. Yleinen suhteellisuusteoria puolestaan on Einsteinin painovoimateoria, joka kuvailee painovoimaa tilan ja energian aiheuttamana avaruuden kaarevuutena.
5. Miksi yleinen suhteellisuusteoria ei kykene käsittelemään tiettyjä tilanteita?
Yleinen suhteellisuusteoria ei kykene käsittelemään tiettyjä tilanteita, kuten hiukkasten käyttäytymistä, jossa ilmenee sekä aalto- että hiukkanen-tyyppisiä piirteitä (aaltopartikkelidualismi) ja ääritilanteita kuten mustia aukkoja. Teoria ei ole riittävä tuomaan mukaan kvanttiesiintymiä.
Avainsanat:
1. Pimeä aine: Hypoteettinen aineen muoto, joka käsittää merkittävän osan universumin kokonaismassasta mutta ei säteile, absorboi eikä vuorovaikuta valon tai sähkömagneettisen säteilyn kanssa.
2. Kvanttimekaniikka: Fysiikan haara, joka käsittelee hiukkasten käyttäytymistä atomi- ja subatomitasolla ja sisältää aaltopartikkeli-dualismin, superposition ja epävarmuusperiaatteet.
3. Yleinen suhteellisuusteoria: Einsteinin painovoimateoria, joka kuvaa gravitaatiovoimaa massan ja energian aiheuttamana avaruuden kaarevuutena.
4. Determinismi: Filosofinen käsite, jonka mukaan kaikki tapahtumat, mukaan lukien tulevat tapahtumat, määräytyvät edeltävien tapahtumien ja luonnonlakien mukaan.
Liittyvät linkit:
Physics World
Nature – Physics
The source of the article is from the blog publicsectortravel.org.uk