Salamakurssi kvanttimekaniikka

Kvanttimekaniikkaa viidessä minuutissa

Kaikki aine ihmiskehon aminohapoista universumin kaukaisiin tähtiin koostuu samoista rakennuspalikoista: alkeishiukkasista. Kvanttimekaniikka on näitä pienimpiä kaikkeuden osasia kuvaava tieteenala.

tiistai 7. heinäkuuta 2015

”Jos kvanttimekaniikka ei saa päätäsi pyörälle, et ole ymmärtänyt siitä yhtään mitään.”

Sitaatti on peräisin Niels Bohrilta, jota pidetään yhtenä kvanttimekaniikan perustajista. Tanskalaisfyysikko lienee ollut oikeassa, sillä kvanttimekaniikka aiheuttaa yhä, yli 100 vuotta teorian esittelyn jälkeen, tutkijoille päänvaivaa ja harmaita hiuksia.

Kvanttimekaniikka on fysiikan osa-alue, joka käsittelee atomeja pienempiä hiukkasia. Kun liikutaan näin pienten osasten maailmassa, fysiikan lait muuttuvat ja siksi tarvitaan erityinen tieteenala selittämään, miten kaikki liittyy yhteen.

Kvanttimekaniikka, standardimalli ja kaiken teoria

Kvanttimekaniikka koostuu useista osista, joista toisia on helpompi ymmärtää kuin toisia.

Standardimalli esittää, mistä atomit muodostuvat, ja siten se kokoaa kuvan atomin yksittäisistä osista, joita kvanttimekaniikka puolestaan käsittelee.

Tutkijat ovat osoittaneet oikeaksi suurimman osan standardimallista, mutta vielä he eivät ole päässeet aivan päämääräänsä saakka. Standardimalli selittää kaiken universumin tunnetun aineen, olipa kyse sitten kaukaisista galakseista tai ihmiskehon aminohapoista. Siihen ei kuitenkaan ole vielä onnistuttu yhdistämään painovoimaa, joten sitä ei voida vielä kutsua "kaiken teoriaksi", joka on fyysikoiden toivelistalla.

Kaikki universumin aine koostuu 12 alkeishiukkasesta, neljästä voimaa välittävästä hiukkasesta sekä Higgsin hiukkasesta.

Kvarkit, myonit ja Higgsin hiukkaset

Alkeishiukkaset ovat ne fysikaaliset rakennuskivet, joista kaikki universumin atomit koostuvat. Niitä on kahtatoista eri tyyppiä, mutta luonnollisissa oloissa niistä esiintyy nykyään vain neljää – elektroneja, elektronin neutriinoja, ylöskvarkkeja ja alaskvarkkeja. Muita oli luonnossa vain heti alkuräjähdyksen jälkeen, mutta sittemmin niitä on luotu uudelleen hiukkaskiihdyttimissä.

  • Elektroni Elektroneilla on negatiivinen sähkövaraus. Niitä esiintyy vapaana tai atomeihin sitoutuneena.

  • Elektronin neutriino Elektronin neutriinoilla ei ole sähkövarausta ja niillä on hyvin pieni massa. Niitä esiintyy radioaktivisuuden yhteydessä.

  • Ylöskvarkki Tavallinen aine koostuu ylös- ja alaskvarkeista sekä elektroneista. Kvarkki ei koskaan esiinny yksinään.

  • Alaskvarkki Protonit koostuvat yhdestä alas- ja kahdesta ylöskvarkista. Neutroneissa taas on kaksi alaskvarkkia ja yksi ylöskvarkki.

  • Myoni Myoni muistuttaa elektronia, mutta se on 300 kertaa niin raskas kuin elektroni ja radioaktiivisesti epävakaa.

  • Myonin neutriino Myonin neutriino muistuttaa elektronin neutriinoa, mutta on sitä hieman raskaampi, vaikkakin silti vielä erittäin kevyt.

  • Lumokvarkki Lumokvarkki painaa kollme kertaa niin paljon kuin protoni, ja sillä on positiivinen varaus.

  • Outokvarkki Outokvarkki on negatiivisesti varautunut.

  • Tau Tau on 3?500 kertaa niin raskas kuin elektroni ja sen elinaika on äärimmäisen lyhyt.

  • Taun neutriino Taun neutriino on varaukseton. Se on hyvin kevyt, vaikkakin hieman muita neutriinoja raskaampi.

  • Pohjakvarkki Pohjakvarkki on neljä kertaa niin raskas kuin protoni. Pohjakvarkkeja syntyy muun muassa huippukvarkkien hajotessa.

  • Huippukvarkki Huippukvarkki on raskain alkeishiukkanen. Se painaa lähes yhtä paljon kuin kulta-atomi.

Voimia välittävät hiukkaset pitävät rakennusosaset kasassa. Ne välittävät atomeihin neljää luonnon perusvoimaa:

  • Fotonit Fotonit ovat massattomia valohiukkasia, jotka välittävät sähkömagneettista voimaa.

  • Gluonit Gluonit liimaavat kvarkit yhteen alkeishiukkasissa ja välittävät vahvaa ydinvoimaa.

  • W-ja Z-hiukkaset W- ja Z-hiukkaset eli -bosonit välittävät heikkoa ydinvoimaa. Ne liittyvät tietynlaisiin radioaktiivisuuden muotoihin.

  • Gravitoni Gravitonien arvellaan välittävän painovoimaa. Hiukkasten olemassaoloa ei ole vielä onnistuttu todistamaan, mutta niitä etsitään kiivaasti CERNissä Sveitsissä.

Lisäksi on olemassa Higgsin hiukkanen. Se löytyi 99,99 prosentin todennäköisyydellä vuonna 2012. Hiukkanen antaa atomien rakennusosasille massan. Kvarkit kiinnittyvät voimakkaammin Higgsin hiukkasiin, ja siksi ne ovat raskaampia kuin esimerkiksi elektronit.

Tutkijat jäljittävät varjoainetta

Gravitoneja lukuun ottamatta hiukkaskiihdyttimissä on onnistuttu luomaan kaikkia alkeishiukkasia. Mystisten hiukkasten metsästys on jälleen käynnistynyt sen jälkeen, kun CERNin suuren Large Hadron Collider -kiihdyttimen muutostyöt on saatu valmiiksi.

Tutkijat ovat kuitenkin vakuuttuneita siitä, että gravitoneja ei voida löytää suoraan. Siksi he etsivät sen sijaan eräänlaista varjoainetta, jonka toivotaan todistavan gravitonien olemassaolo.

Se, mistä palikoista maailmankaikkeus koostuu, on kvanttimekaniikan helpoimmin ymmärrettävä osa. Paljon vaikeampaa onkin mitata hiukkasia ja kuvailla niiden ominaisuuksia.

Mikä on Schrödingerin kissa?

Hiukkasten mittaamista vaikeuttaa se, että tietyt ominaisuudet muuttavat luonnettaan juuri sillä hetkellä, kun niitä aletaan mitata. Niels Bohrin mukaan tällöin ei enää voida määrittää hiukkasten paikkaa ja liikettä, koska käsitteillä ei enää ole merkitystä.

Yksi esimerkki paradoksista on niin sanottu Schrödingerin kissa.

Schrödingerin kissan paradoksi. Piirros: Shutterstock

Lukitussa laatikossa on epävakaa atomiydin ja kissa. Geigermittari mittaa atomiytimen radioaktiivista hajoamista. Jos ydin hajoaa, vapautuu annos myrkyllistä kaasua, joka tappaa kissan.

Kun atomiydin on epävakaa (periaatteessa sekä hajonnut että hajoamaton) kokeen alussa, sama epävarmuus koskee kissaa: se on tilanteessa, jossa se on yhtaikaa kuollut ja elävä.

Sillä hetkellä, kun avaamme laatikon, näemme kissan, joka on joko kuollut tai elävä. Kissa on siis menettänyt yhden ominaisuuksistaan, kun avaamme laatikon katsoaksemme, miten sen laita on.

Tämä ei tunnu järkevältä, jos asiaa tarkastellaan klassisen fysiikan näkökulmasta, toisin sanoen niiden fysiikan lakien pohjalta, jotka tunnemme arkipäivän elämästä. Niiden mukaan kissa ei voi olla yhtaikaa kuollut ja elävä – vaan ainoastaan jompaakumpaa.

Suuri osa kvanttimekaniikasta on kuitenkin Schrödingerin kissa -ajatusleikin kaltaisia kahden eri tilan yhdistelmiä, ja artikkelin alussa mainittu Niels Bohrin sitaatti pitää varmasti paikkansa vielä nykyäänkin.

Menikö siis pääsi pyörälle tätä lukiessasi?

Seuraa hiukkasten metsästystä

Haluatko tietää lisää siitä, miten tutkijat etsivät kaikkeuden pienimpiä rakennuspalikoita maailman suurimmassa hiukkaskiihdyttimessä LHC:ssä CERNin tutkimuskeskuksessa Sveitsissä?

– Napsauta alla olevaa linkkiä ja katso video, joka näyttää, miten LHC toimii.

Muista tehdä myös kvanttivisa testataksesi tietosi kvarkeista ja muista pikkuruisista osasista.

Teema

Lue tästä

Ehkä sinua kiinnostaa...

TILAA TIETEEN KUVALEHDEN UUTISKIRJE

Voit ladata ilmaisen erikoisnumeron, Uskomattomat aivot, heti, kun olet tilannut uutiskirjeen.

Etkö löytänyt, mitä etsit? Tee haku tästä: