Fyysikot etsivät yhä ei mitään

Jo 3 000 vuotta on jahdattu täydellisen tyhjää tilaa, jossa ei ole ainetta eikä energiaa. Tänä aikana filosofit ja fyysikot ovat yrittäneet luoda täydellisen tyhjiön sekä teoriassa että käytännössä, mutta vaikuttaa aivan siltä kuin he taistelisivat luontoa vastaan. Juuri silloin, kun tyhjiö on lopultakin ilmaantumassa tutkijoille, se täyttyy taas uusilla havainnoilla ja tiedoilla.

Täsmälleen 99,9999426697 prosenttia – niin varmoja Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen Cernin fyysikot olivat mittaustensa paikkansapitävyydestä. Siksi he tohtivat 4. heinäkuuta 2012 ilmoittaa löytäneensä sen, mitä he olivat vuodesta 2007 etsineet mittavalla LHC-hiukkaskiihdyttimellä: Higgsin bosonin.

Tutkijat olivat tienneet odottaa äärimmäisen vaikeaa tehtävää, johon verrattuna neulan etsiminen heinäsuovasta olisi lastenleikkiä. LHC-hiukkaskiihdyttimessä syntyy vain yksi havaittava Higgsin bosoni niissä kymmenessä tuhannessa miljardissa törmäyksessä, joissa protonit kiitävät toisiaan päin 27 kilometrin pituisessa tunnelissa lähes valonnopeudella.
Onnekseen fyysikot olivat tarkkana ja äkkäsivät Higgsin bosonin.

Sen ansiosta käsityksemme siitä, kuinka maailmankaikkeus on ruuvattu kokoon, pätee. Higgsin bosoniahan tarvitaan selittämään muiden hiukkasten paino, sillä jos sitä ei ole, kaikki hiukkaset ovat kuin valon fotonit: nopeita mutta massattomia. Siinä tapauksessa universumissa voisi olla vain sähkömagneettista säteilyä, mutta ei elektroneja, protoneja, atomeja, molekyylejä, planeettoja eikä tähtiä. Eli se olisi täysin tyhjä aineesta.

Higgsin bosoni ei ainoastaan selitä olemassaoloamme, vaan se myös auttaa vastaamaan päinvastaiseen kysymykseen: onko olemassa täydellistä tyhjiötä?

Ajatus tilasta, josta puuttuu kaikki aine ja energia, on askarruttanut filosofeja ja luonnontieteilijöitä vuosituhansia, ja vastaus on vaihdellut tänä aikana kielteisestä myönteiseen.
Higgsin bosonin havaitsemisen jälkeen päästiin aivan uudesta tilanteesta pähkäilemään, mahtaako avaruudessa olla osa, jossa ei ole mitään muuta.

Äkkiseltään kysymys tyhjiön olemassaolosta voi vaikuttaa yksinkertaiselta, mutta lähempi tarkastelu paljastaa sen niin ongelmalliseksi, että hankalampaa on vaikea edes kuvitella. ”Ei minkään” määritelmän pitää tietenkin olla ”kaiken puuttuminen”, joten ”ei mitään” on ymmärrettävissä vain, jos tiedetään, mitä on ”kaikki”. Niinpä lopullinen vastus piti hankkia kiertoteitse.

Meidät opetetaan hyväksymään ei mitään

Jo lapsuudessa törmäämme ei minkään problematiikkaan syventymättä kuitenkaan miettimään sitä. Alakoulussa opettaja sanoo esimerkiksi: ”Pöydällä on kaksi appelsiinia. Nyt otan molemmat pois. Mitä jää jäljelle?” Nokkelimmat oppilaat vastaavat: ”Ei mitään.” Tai ”Nolla.” Ja kumpikin vastaus kelpaa opettajalle.

Lukiossa nämä vastaukset eivät kuitenkaan tyydytä matematiikan lehtoria. Hän kaipaa yksikköä, joten oikea vastaus kuuluu ”ei yhtään appelsiinia” tai ”nolla appelsiinia”.
Fysiikanopettaja voi odottaa vastaukseksi ”ilmaa”, koska se osa tilasta, jonka appelsiinit pöydällä täyttävät, korvautuu ilmakehän hapella, typellä ja muilla alkuaineilla.

Yliopistossa kysymys muotoiltaisiin ehkä toisin: ”On olemassa kaksi appelsiinia – pöydän sijasta galaksien välisessä avaruudessa. Ne poistetaan. Mitä jää jäljelle siellä, missä ne olivat?” Tähtitieteen opiskelijat tietävät, että myös galaksien välisessä avaruudessa on yksittäisiä atomeja, kuten vetyä ja heliumia, ja he vastaavat oikein.

Vastaus ei ole kuitenkaan tyhjentävä, sillä jatkokysymys kuuluu: ”Mikä sitten on se tila, jota yksittäiset atomit eivät ole täyttäneet?” Tässä vaiheessa joutuvat ymmälleen paitsi opiskelijat myös fysiikan ja kosmologian terävimmät tutkijat – niin kuin nekin kreikkalaiset filosofit, jotka alkoivat pohtia ongelmaa yli 2 500 vuotta sitten.

  • "Mikään ei ole tyhjää eikä ylimääräistä."

    Empedokles (noin 490–430 eaa.) torjui jyrkästi ajatuksen täysin tyhjän tilan olemassaolosta.

Kreikkalaiset pitivät tyhjiötä järjettömänä

Tieteellisen ajattelun isän mukaan ajatus ”ei mistään” oli mieletön. Thales Miletoslainen, joka eli noin 635–546 eaa., perusteli käsitystään sillä, että pelkästään ”ei minkään” ajatteleminen osoitti ”ei minkään” olevan ”jotakin”, joten se ei voinut loppujen lopuksi olla ”ei mitään”. Hänen logiikkansa mukaan ”ei mitään” saattaa olla olemassa vain siinä tapauksessa, ettei ole olemassa mitään tai ketään, joka voi havaita tai tajuta sen.

Asia vaikuttaa hieman kryptiseltä, mutta Thales yritti konkretisoida ajatuksiaan esittämällä nimenomaan kysymyksen, mitä tiettyyn paikkaan jää, jos sieltä poistetaan kaikki. Hänen vastauksensa oli: vettä. Thales piti vettä erikoislaatuisena aineena, koska se voi esiintyä kolmessa olomuodossa eli nesteenä (vesi), kaasuna (vesihöyry) ja kiinteänä aineena (jää).

Thales arveli veden voivan saada muitakin muotoja ja olevan maailmankaikkeuden alkuainetta, josta kaikki muut aineet perimmältään juontuvat. Hänen mukaansa ”kaikki on vettä” ja lähimpänä ”ei mitään” on vesi ”alkuperäisessä” muodossaan, jonka hän käsitti nestemäiseksi.

Ajatus kaiken taustalla olevasta perusaineesta säilyi kreikkalaisten ajattelijoiden piirissä sukupolvesta toiseen. Anaksimenes (noin 585–525 eaa.) piti alkuaineena ilmaa ja Herakleitos (noin 535–480 eaa.) tulta, jotka olivat selvästi vettä epähavainnollisempia.

Myöhemmin Empedokles (noin 490–430 eaa.) lähestyi asiaa järjestelmällisemmin. Hän alkoi tutkia, onko ilma aineellista vai aineetonta. Jälkimmäisessä tapauksessahan olisi kyse aineen puuttumisesta ja siten ”ei mistään”.

Tutkimuksissaan Empedokles käytti tislausastiaa eli pulleaa pulloa, jossa on kapea kaula. Hän teki vesikokeita varten säiliöön pieniä reikiä ja totesi, että vesi ei vuotanut niistä ulos, kun hän peitti pullon suun sormellaan. Sen sijaan suun ollessa auki vesi virtasi rei’istä.

Empedokles päätteli tästä, että ilman täytyy täyttää säiliö samalla tavalla kuin veden ja – mikä tärkeintä – vesi ei voi poistua tilasta, ellei ilma korvaa sitä. Nykyään alkeellisena pidettävän kokeen tuloksella oli kauaskantoiset vaikutukset. Empedokles päätyi näet siihen käsitykseen, että luonto vastustaa tyhjiön syntymistä. Tätä näkemystä kannatettiin satoja vuosia.

Empedokles kehitti yhden kaiken taustalla olevan perusaineen opista neljään elementtiin eli klassiseen alkuaineeseen perustuvan kosmoksen selityksen. Näitä niin sanottuja juuria olivat vesi, tuli, ilma ja maa. Empedokles ideoi myös kaksi kosmoksen voimaa: riidan ja rakkauden. Ne vaikuttivat hänen mukaansa kaikkiin niihin asioihin, jotka koostuivat elementeistä.

Myöhemmin alkuaineiden luettelo täydentyi vielä eetterillä, joka käsitettiin ilmaa ohuemmaksi aineeksi. Sen uskottiin täyttävän kaikkein pienimmätkin ja syrjäisimmätkin sopukat. Tällä tavoin Empedokles sulki pois sen mahdollisuuden, että on olemassa täydellinen tyhjiö. ”Mikään maailmassa ei ole tyhjää eikä ylimääräistä”, Empedokles kiteytti ajatuksensa.

Vasta 2 000 vuotta Empedokleen kuoleman jälkeen luonnon ”tyhjiön torjunta” kumottiin. Tälläkin kertaa todistaminen onnistui yksinkertaisella kokeella.

Tyhjiötä puuhattiin pari tuhatta vuotta

Vanhalla ajalla ja keskiajalla vallitsi käsitys, että täydellisen tyhjää tilaa ei voi olla olemassa. Tyhjyyttäkin uskottiin täyttävän aina joko ilman tai tuntemattoman aineen, eetterin.

  • 450 eaa.: Luonto torjuu tyhjiön

    Vesi ja ilma taistelevat tilasta: Kreikkalainen Empedokles teki kokeita pullolla, jossa oli pieniä reikiä. Hän totesi, että pullossa on aina joko vettä tai ilmaa. Siitä hän päätteli, että luonto vastustaa täydellisen tyhjän tilan syntymistä.

  • 1643: Ihminen voi luoda tyhjiön

    Elohopea aiheuttaa väkisin tyhjiön: Evangelista Torricelli havaitsi, että elohopealla täytetyssä lasiputkessa, joka työnnetään alassuin elohopea-altaaseen, elohopeapatsas laskee. Koska umpinaiseen putkeen ei voi päästä ulkopuolelta mitään, elohopeapatsaan yläpuolisen tilan pitää olla tyhjää täynnä.

Luonto voitti tyhjyydenpelkonsa

Otetaan metrin pituinen lasiputki, ja tulpataan se toisesta päästä. Sitten se täytetään elohopealla ja suljetaan. Sen jälkeen putki työnnetään altaaseen, joka on täynnä elohopeaa, ja poistetaan pohjatulppa. Tätä toimintaohjetta noudatti vuonna 1643 Evangelista Torricelli vuotta aikaisemmin kuolleen esikuvansa ja oppimestarinsa Galileo Galilein neuvojen mukaan.

Kun Torricelli teki kokeen, hän huomasi, että putken elohopeapatsas laski 76 sentin korkeuteen asti. Torricelli ymmärsi myös syyn: putken raskas elohopeapatsas saattoi vajota siihen asti, kun se oli saavuttanut tasapainon elohopea-altaan pintaan kohdistuvan ilmakehän paineen kanssa.

Torricellin koe merkitsi käytännössä kahta asiaa. Ensinnäkin hän oli keksinyt ilmapuntarin ja toiseksi saanut aikaan tyhjiön. Kun elohopeapatsas laski, se jätti jälkeensä putken yläpäähän 24 senttiä pitkän tyhjän tilan, jossa ei voinut olla mitään. Toisin sanoen Torricelli oli luonut ”ei mitään”, jota oli pari tuhatta vuotta pidetty mahdottomana. Silti hän reagoi varsin hillitysti:

”Toiset väittävät, että tyhjiötä ei voi olla olemassa, toiset sen sijaan uskovat, että se on synnytettävissä vain vastoin luonnon tahtoa. En tunne ketään, joka pitää sitä mahdollisena ilman luonnon vastustusta.”

Monet muut tieteenharjoittajat joutuivat kuitenkin innostuksen valtaan. Seuraavina vuosina Torricellin koe toistettiin useissa eri maissa, ja sen avulla koetettiin selvittää tyhjiön ominaisuuksia.

Ranskassa matemaatikko Blaise Pascal teki Torricellin kokeen vaa’alla ja totesi, että tyhjiö ei paina mitään, sisälsipä se sitten jotakin tai ei.

  • "On pääteltävissä, että ei ole olemassa pysyvää eetteriä."

    Albert Michelson todisti vuonna 1887, että Maa ei liiku eetterissä kiertäessään Aurinkoa.

Englannissa fyysikko Robert Hooke kehitti pumppuja, joilla oli mahdollista saada aikaan isoja tyhjiöitä, ja hänen oppimestarinsa brittikemisti Robert Boyle osoitti eläinkokeilla, joissa hän käytti hiiriä, käärmeitä ja lintuja, että tyhjiössä tukehtuu. Silloin varmistui, että tyhjiössä ei ole ainakaan ilmaa.

Boyle sijoitti tyhjiöön kellon ja havaitsi, että sen ääni hävisi. Toisin sanoen ääni ei voinut liikkua tyhjiössä. Sen sijaan valoon tyhjiö ei näyttänyt vaikuttavan. Lasiastia, jonka sisällä oli tyhjiö, ei estänyt näkemästä sen taakse asetetun lampun loistetta. Boyle oli näin päässyt väliaineessa, kuten ilmassa ja vedessä, liikkuvien mekaanisten aaltojen ja ilman väliainetta etenevän sähkömagneettisen säteilyn, kuten valon, erojen jäljille.

Tyhjiön keksiminen 1600-luvulla helpotti tyhjän tilan kammoa, jonka latinankielinen nimitys oli horror vacui. Pelko juontui vanhan ajan luonnontieteellisistä kuvauksista, ja se säilyi aina keskiajan loppuun asti. Läpimurron vaikutukset ulottuivat myös kauas tiedeyhteisön ulkopuolelle.

Avaruus tyhjeni aineesta ja täyttyi aalloista

Vielä 1800-luvulla uskottiin vahvasti eetteriin, joka täyttää tähtien ja planeettojen välisen avaruuden.Uusi keksintö kumosi teorian, ja 100 vuotta myöhemmin samalla keinolla löydettiin gravitaatioaallot.

  • 1887: Eetteri osoittautui kuplaksi

    Pettymys sinetöi eetterin kohtalon: Albert Michelson kehitti interferometrin, jotta sillä voitaisiin mitata Maan liike avaruuden eetteriin nähden. Laitteen piti osoittaa liike kahden eri lähteestä tulevan valonsäteen interferenssikuviolla, joka muuttuu, kun laitetta käännetään. Tutkimuksessa vedettiin vesiperä, koska oletettua eetteriä ei ollut olemassakaan.

  • 2015: Gravitaatioaallot vyöryivät

    Piilevä aaltoilu vääristää avaruutta: Valtava LIGO-interferometri todisti vuonna 2015 Einsteinin tasan sata vuotta aikaisemmin suhteellisuusteoriassa ennustamien gravitaatioaaltojen olemassaolon. Kiihtyvässä liikkeessä olevien massojen aiheuttamat aallot vääristävät avaruutta.

Taianomainen tyhjiö lumosi maailman

Vuonna 1654 saksalaisessa Regensburgin kaupungissa kokoontui merkittävä seurue kokemaan mystisen ilmiön. Sekä keisari Ferdinand III että valtiopäiväedustajat olivat läsnä. Suurellisen näytöksen takana oli saksalainen fyysikko Otto von Guericke, joka toimi myös Magdeburgin pormestarina. Von Guericke oli valmistuttanut kaksi kuparista pallonpuolikasta, joiden läpimitta oli 60 senttiä ja jotka voitiin liittää tiiviisti toisiinsa.

Taikurin tapaan hän kohotti jännitystä pyytämällä vapaaehtoisia vetämään pallonpuolikkaat irti toisistaan. Se kävikin helposti. Sitten von Guericke painoi puolipallot uudestaan tiukasti toisiaan vasten ja alkoi imeä pallosta ilmaa itse kehittämällään pumpulla venttiilin kautta.

Yleisö sai myöhemmin yrittää uudestaan puolikkaiden irrottamista, mutta tällä kertaa tehtävä osoittautui liian vaikeaksi. Näytös huipentui siihen, että von Guericke valjasti kuusi hevosta kummankin pallonpuolikkaan eteen ja antoi niiden vetää vastakkaisiin suuntiin kaikin voimin. Siitä huolimatta pallo pysyi koossa.

Von Guericke oli näytöksellään osoittanut, kuinka vahva tyhjiö on – tai ehkä pikemminkin: kuinka suuria ovat ne voimat, jotka vaikuttavat sen ulkopuolella. Pallonpuolikkaiden ulkopintaan ja kaikkeen muuhun merenpinnan tasossa kohdistuu yhden ilmakehän paine, joka vastaa kiloa neliösenttimetriä eli kymmentä tonnia neliömetriä kohti. Se on paljon enemmän kuin yhteensä 16 hevosen voimat. Ja vaikka von Guericke käytti joskus 24:ää tai 30:tä hevosta, lopputulos oli joka kerta sama.

Näytökset olivat tehokasta tieteen popularisointia ja kunnianosoitus sitä Torricellin oivallusta kohtaan, että elämme ”ilmameren pohjalla”. Ranskalainen Blaise Pascal oli lisäksi saanut selville, että ilmameri ohenee sitä mukaa kuin etäisyys maanpintaan kasvaa. Seuraava oletus johdettiin tästä tiedosta: ilma ei täytä avaruutta.

Tyhjiön toteaminen ilmasta tyhjäksi tilaksi ei tarkoittanut kuitenkaan kaikkialla läsnä olevan eetterin hylkäämistä. Eetterihän saattoi olla jotain täysin tuntematonta ainetta kuten jo Empedokles oli aprikoinut.

1600-luvun suurin nero Isaac Newton suhtautui eetteriin vaihtelevasti. Hänen julkaisuistaan käy ilmi, että hän milloin hyväksyi, milloin torjui ajatuksen eetterin olemassaolosta. Vuonna 1675 Newton esitti teorian valon etenemisestä eetterissä, mutta vain neljä vuotta myöhemmin hän hylkäsi ajatuksen. Eetteri teki kuitenkin vielä paluun vuoden 1718 uudessa valoteoriassa.

Newtonin elinaikana fyysikot väänsivät kättä nimenomaan valon ominaisuuksista. Keskeinen kysymys oli, onko valo aaltoja vai hiukkasia. Asiasta ei päästy yksimielisyyteen sadassa vuodessa, ja vasta brittiläinen fyysikko Thomas Young ratkaisi riidan vuonna 1804 julkistamallaan käänteentekevällä tutkimuksella.

Youngin kaksoisrakokokeessa valo kulkee kahden lähekkäisen raon läpi ja muodostaa tummista ja vaaleista vyöhykkeistä koostuvan kuvion takana olevalle heijastimelle. Vyöhykkeiden muodostuminen määräytyy valo­aaltojen keskinäisestä interferenssistä, jossa ne joko vahvistavat toisiaan tai kumoavat toisensa samaan tapaan kuin vedenpinnan aallot tekevät kohdatessaan.

Kaksi aallonharjaa vahvistaa toisiaan, mutta aallonharja ja aallonpohja kumoavat toisensa. Valon käsittäminen aalloiksi tuki teoriaa eetterin olemassaolosta.

Mahdollisena selityksenä sille, että valo läpäisi Torricellin tyhjiön, pidettiin sitä, että tyhjän tilan täytti eetteri, jossa säteet saattoivat aaltoilla. Vastaavasti tähtien ja planeettojen välisen avaruuden piti olla täynnä samaa eetteriä, koska ilman sitä esimerkiksi Auringon valo ei pääsisi Maahan. Vasta sata vuotta myöhemmin varmistui, että teoriassa oltiin pahasti hakoteillä.

Yhdysvaltalainen fyysikko Albert Michelson suunnitteli nerokkaan laitteen, jota alettiin kutsua interferometriksi. Lyhyesti sanottuna se toimii niin, että valonsäde jaetaan kahteen osaan, joista kumpikin lähetetään omaan suuntaansa ja heijastetaan takaisin peileillä. Kun eri lähteistä tulevat valoaallot yhdistetään, niistä muodostuu interferenssikuvio.

Michelson aikoi mitata laitteella Maan liikettä suhteessa eetteriin. Siinä tapauksessa, että Maa soljuisi eetterissä kuten vene vedessä, kuvio muuttuisi laitetta käännettäessä, koska Maan liike eetterissä vaikuttaisi molempiin säteisiin eri tavoin.

Kollegansa Edward Morleyn kanssa Michelson onnistui vuonna 1887 tarkentamaan laitetta niin, että sillä voitiin tehdä aiotut mittaukset. Kumppanukset ryhtyivät työhön, mutta mitään ei tapahtunut. Käänsivätpä he laitetta kuinka tahansa, interferenssikuvio ei muuttunut.

Tulos ei voinut tarkoittaa kuin yhtä asiaa, ja Michelson kiirehtikin heti toteamaan: ”On pääteltävissä, että ei ole olemassa pysyvää eetteriä, jossa Maa liikkuu kiertäessään Aurinkoa.”

Vetyatomissa, joka koostuu yhdestä protonista ja yhdestä elektronista, on näiden kahden hiukkasen välissä valtava etäisyys. Jos atomi suurennetaan niin, että protonin läpimitaksi tulee 2,2 senttimetriä, etäisyys elektroniin on 541 metriä. Ylivoimaisesti suurin osa atomista on siis aineesta tyhjää.

Painovoimasta tuli avaruuden osa

Ilman eetteriä oli yhtäkkiä mahdollista ajatella, että voi olla olemassa täysin tyhjä tila eli ”ei mitään”. Kuvitellaan tilavuudeltaan kuutiosenttimetrinen säiliö, joka näyttää nopalta, ja imetään sen sisältä kaikki atomit niin, että se on lopulta tyhjää täynnä. Kun pikku kuutio suojataan lisäksi valolta ja muulta sähkömagneettiselta säteilyltä, siinä ei ole myöskään energiaa. Säiliöstä puuttuu siinä tapauksessa ”kaikki”. Vai puuttuuko?

Fyysikot eivät ehtineet miettiä vastausta kovinkaan kauan, sillä jo vuonna 1915 – vain 28 vuoden kuluttua eetterin hylkäämisestä – kysymys kääntyi päälaelleen, kun Albert Einstein esitti yleisen suhteellisuusteoriansa, joka selitti maailman aivan uudella tavalla.

Newtonin maailmankuvassa avaruus on olemassa sisällöstä riippumatta. Siinä tapauksessa on mahdollista, ainakin teoriassa, poistaa tilasta kaikki hävittämättä itse tilaa. Se on siis yhä olemassa. Sen sijaan Einsteinin kuvaamassa universumissa näin ei ole. Ensinnäkään se ei ole kolmiulotteinen niin kuin Newtonin kaikkeus, vaan siinä on neljä ulottuvuutta.

Neljäs ulottuvuus on aika. Toiseksi avaruus määrittyy sen sisällöstä. Massa määrää, kuinka avaruus muotoutuu, ja avaruus määrää, kuinka massa liikkuu. Massa ja avaruus ovat sitten erottamattomia suureita Einsteinin aika-avaruudessa, ja jo pelkästään tästä syystä on turha ajatella toista ilman toista.

Lisäksi suhteellisuusteorian mukaan liikkuvat massat saavat aikaan niin sanottuja gravitaatioaaltoja, jotka vyöryvät maailmankaikkeuden läpi ja vääristävät aika-avaruutta, joten riippumatta siitä, mitä tyhjää täynnä olevalle pikku kuutiolle tehdään, gravitaatio­aaltojen vellonnalta sekään ei välty.

Gravitaatioaaltojen olemassaolo todistettiin vuonna 2015, kun Yhdysvalloissa LIGO-observatorion tutkijat mittasivat aika-avaruuden vääristymän, jonka oli aiheuttanut toista miljardia vuotta sitten kaukana maailmankaikkeudessa tapahtunut kahden mustan aukon yhteensulautuminen. Kaksiosainen LIGO on interferometri, joka itse asiassa muistuttaa suuresti Michelsonin eetterille kuoliniskun antanutta laitetta.

Lamppu on vain vaihdettu lasertykkiin, ja riittävän herkkyyden varmistamiseksi laitteistosta on tehty tuhansia kertoja suurempi. Gravitaatioaallot ovat nimittäin hyvin heikkoja. Ainoastaan universumin kaikkein rajuimmissa tapahtumissa syntyneet gravitaatioaallot voidaan mitata. Vuoden 2015 löydön jälkeen on kuitenkin ollut selvää, että niitä täytyy esiintyä kaikkialla.

Työskennellessään yleisen suhteellisuusteoriansa parissa Einstein törmäsi toiseen ongelmaan. Saadakseen laskelmansa vastaamaan havaittavaa maailmankaikkeutta, hän joutui turvautumaan vakioon.

Einstein ei ollut erityisen ihastunut siihen ja kutsui sitä ”elämänsä suurimmaksi munaukseksi”. Myöhemmät havainnot osoittivat kuitenkin, että niin sanotulla kosmologisella vakiolla on osansa maailmankaikkeudessa. Tähtitieteilijät ovat selvittäneet maailmankaikkeuden laajenevan ja vieläpä kiihtyvää vauhtia. Tämä tarkoittaa sitä, että täytyy olla olemassa painovoiman vastainen voima.

Se, mistä tämä voima syntyy, on yhä suuri arvoitus, mutta toistaiseksi se tunnetaan pimeänä energiana. Myös kuvitteellisessa pikku kuutiossa piilee pimeää energiaa, sillä sen oletetaan täyttävän koko avaruuden.

Suhteellisuusteoriallaan Einstein kuvasi universumin täydessä mitassaan. Toiset 1900-luvun fyysikot lähtivät päinvastaiseen suuntaan. He fokusoivat kaikkein pienimpään ja alkoivat tutkia atomia. Tuloksena oli aivan uutta tietoa siitä, mitä tapahtuu tilassa, jossa ei ole mitään ainetta.

Moderni fysiikka ahtaa tyhjiöön toimintaa

Sekä suhteellisuusteoria että kvanttimekaniikka ovat antaneet uutta tietoa siitä, mitä tyhjiössä tapahtuu. Se on kaikkea muuta kuin seisauksissa. Ilmeisen tyhjässä tilassa energia virtaa ja virtuaalihiukkaset värisevät. Ja kaiken takana on Higgsin kenttä koko avaruuden täyttävänä eetterinä.

1. Virtuaalihiukkasia

syntyy ja häviää jatkuvasti – myös tyhjiössä, jossa on minimimäärä energiaa.

2. Gravitaatioaallot

vyöryvät pitkin ja poikin maailmankaikkeutta, eikä tyhjiö tee poikkeusta.

3. Pimeä energia

on arvoituksellinen voima, joka vaikuttaa kaikkialla ja laajentaa itse maailmankaikkeutta.

Atomin tyhjä tila on täynnä energiaa

Katso tarkasti tämän lauseen perässä olevaa pistettä. Sen painomuste koostuu noin 100 miljardista atomista. Jotta yksi niistä erotettaisiin paljain silmin, piste pitäisi suurentaa läpimitaltaan satametriseksi. Jotta atomiydin nähtäisiin, pisteen läpimitan tulisi olla 10 000 kilometriä. Se vastaa matkaa päiväntasaajalta pohjoisnavalle.

Yksinkertaisimmassa atomissa, vetyatomissa, ydin koostuu vain yhdestä protonista, jota kiertää yksi elektroni. Näiden kahden hiukkasen välinen etäisyys on valtava suhteutettuna niiden kokoon. Jos matkustetaan protonin keskuksesta elektroniin, matkaa on takana vasta yksi kymmenestuhannesosa siinä vaiheessa, kun on päästy protonin reunalle.

Koska elektroni on paljon pienempi kuin protoni, on selvää, että atomi koostuu enimmäkseen ainehiukkasten ulkopuolisesta tilasta.

Itse asiassa kyseisen tilan osuus atomin tilavuudesta on peräti 99,99999999999999 prosenttia. Olisi kuitenkin väärin pitää sitä tyhjänä. Elektronin negatiivisen varauksen ja protonin positiivisen varauksen väliset magneettiset voimat luovat nimittäin vahvan sähkökentän, joka täyttää niiden välisen tilan.

Sama tulee esiin zoomattaessa protonin sisään. Se koostuu pienemmistä alkeishiukkasista, kvarkeista. Näiden osuus protonin kokonaismassasta on vain noin yhdeksän prosenttia. Loppu on energiaa, jonka luovat kvarkkien välissä vaikuttavat voimat sekä protonin sisältämät gluonit ja muut massattomat hiukkaset.

1900-luvun alkupuolella kehitettiin uusi fysiikan ala, kvanttimekaniikka, kuvaamaan atomien ja atomia pienempien hiukkasten ominaisuuksia. Kvanttimekaniikassa on asioita, jotka äkkiseltään vaikuttavat olevan ristiriidassa normaalin, havainnollisen maailman kanssa. Yksi niistä on kaikkien – siis myös aineellisten – hiukkasten käsittäminen aalloiksi. Tällä on merkittäviä seurauksia.

Vuonna 1927 saksalainen fyysikko Werner Heisenberg muotoili niin sanotun epätarkkuusperiaatteen. Lyhyesti sanottuna siinä on kysymys siitä, että on mahdoton määrittää yhtä aikaa tarkasti hiukkasen paikka ja liike. Periaatteen vaikutusta valaisee paperille piirretty aalto.

Siitä voidaan määrittää aallon paikka valitsemalla käyrältä tietty piste. Tästä kohdasta ei voida kuitenkaan päätellä aallon kokoa tai suuntaa. Tai päinvastoin: jos määritetään aallon koko ja suunta, ei voida samanaikaisesti ilmoittaa sen tarkkaa paikkaa. Epätarkkuusperiaate vaikuttaa myös ajatusleikin tyhjää täynnä olevaan arpakuutioon.

Se on tyhjennetty atomeista ja siten ainehiukkasista, joten niiden tarkaksi paikaksi voidaan ilmoittaa ”nolla”. Tämä tarkoittaa kuitenkin, että niiden energia ei voi ”nolla”. Se sotisi epätarkkuusperiaatetta vastaan. Kvanttimekaniikan mukaan arpakuutiossa on aina vähän energiaa, ja tätä kutsutaan nollapiste-energiaksi.

Tästä syystä nollapiste-energiaista tilaa nimitetään myös kvanttityhjiöksi. Pitemmälle ei voida mennä energiateitse: sen lähemmäksi ”ei mitään” ei ole koskaan mahdollista päästä.

Tyhjässä tilassa kihisee

Hiukkaset syntyvät tyhjästä, ovat olemassa hetken ja palaavat tyhjyyteen. Kuulostaa aivan taikuudelta, mutta itse asiassa kyse on myös kvanttimekaniikan seurauksesta. Se nimittäin sallii, että kaksi hiukkasta, joiden varaukset ovat vastakkaiset, voi myös syntyä itsestään kvanttityhjiössä ja hävittää toisensa hyvin nopeasti.

Fyysikot puhuvat virtuaalihiukkasten fluktuaatioista. Mitä suurempia ja raskaampia hiukkaset ovat, sitä vähemmän aikaa ne saavat olla olemassa. Esimerkiksi elektroni ja sen antihiukkanen, positroni, voivat tällä tavalla hypätä todellisuuteen ja hävitä 10-21 sekunnin kuluttua. Näin lyhyessä ajassa valo ehtii edetä matkan, joka vastaa vetyatomin läpimitan tuhannesosaa.

Virtuaalihiukkaset ovat siis hyvin epävakaita, mutta niitä syntyy sen sijaan jatkuvasti kaikkialla maailmankaikkeudessa – myös ajatusleikin tyhjää täynnä olevassa pikku kuutiossa. Kvanttityhjiötä voidaan pitää vilkkaasti liikehtivänä keittona, jossa kaikkien mahdollisten aallonpituuksien virtuaalihiukkaset pyörivät ympäriinsä joka suunnassa kuutiossa.

Virtuaalihiukkasten olemassaolo ennustettiin jo 1900-luvun alkupuolella, mutta vasta vuonna 1996 se todistettiin kokeilla, jotka alankomaalainen fyysikko Hendrik Casimiroli esittänyt vuonna 1948. Ideana oli sijoittaa kaksi metallilevyä kvanttityhjiöön ja antaa niiden hitaasti lähestyä toisiaan. Siinä vaiheessa, kun väli oli hyvin pieni, levyt alkoivat vetää toisiaan puoleensa.

Syynä oli se, että rakoon sopivat enää vain virtuaalihiukkaset, joiden aallonpituus oli lyhyt, ja kaikki muut mahdolliset aallonpituudet saattoivat olla olemassa vain muualla tyhjiössä. Siitä seurasi, että virtuaalihiukkaset aiheuttivat suuremman paineen levyjen ulko- kuin sisäpinnalle, joten levyt painuivat toisiaan kohti. Tätä tapahtumasarjaa kutsutaan Casimirin ilmiöksi.

Kvanttimekaniikan ennustusten kokeellinen todentaminen luo pohjaa niin sanotulle standardimallille, joka on fyysikoiden kuvaus kaikesta maailmankaikkeudessa. Se sisältää sekä ne hiukkaset, joista aine koostuu, että ne hiukkaset, jotka välittävät voimia.

Tähän mennessä on jo todistettu melkein kaikkien standardimallin hiukkasten olemassaolo, mutta vuoteen 2012 asti palapelistä puuttui olennainen osa. Se oli Higgsin bosoni, jonka puuttuminen tarkoitti, että ei pystytty selittämään maailmankaikkeuden massaa.

  • "On kyllä kiva osua oikeaan."

    Peter Higgs totesi, kun Cernin fyysikot olivat onnistuneet löytämään hänen ennustamansa alkeishiukkasen.

Universumin eetteri teki paluun

Peter Higgs ei kyennyt pidättämään kyyneleitään, kun hän Cernin auditorion kolmannella penkkirivillä seurasi tiedotustilaisuutta. Se, että hänen vuonna 1964 ennustamansa hiukkanen oli löydetty hänen elinaikanaan, sai 83-vuotiaan fyysikon tunnekuohun valtaan. Eikä hän ollut ainoa.

Eri puolilla maailmaa tutkijat riemastuivat, pelastihan Higgsin bosonin löytyminen standardimallin. ”Joskus on kyllä kiva osua oikeaan”, totesi Higgs sen jälkeen, kun hän oli saavuttanut taas mielenrauhansa.

Higgsin bosoni saa aikaan kaikkialla maailmankaikkeudessa vallitsevan kentän, joten se on samalla tavalla täyttävä kuin se eetteri, jonka olemassaoloon filosofit ja luonnontieteilijät uskoivat aina vuoteen 1887 asti.

Higgsin kenttä eroaa muista fysiikan maailman kentistä sikäli, että sen voimakkuus ei vaihtele eikä sillä ole suuntaa. Se kuvataan usein siirapiksi, joka liimautuu vain osaan hiukkasista. Higgsin kenttä vaikuttaa ainehiukkasiin, kuten elektroneihin ja protoneihin, ja antaa niille siksi massan. Sen sijaan valon fotonit kulkevat reagoimatta kentän läpi, ja siten ne ovat massattomia.

Vertaus siirappiin synnyttää selvän mielikuvan Higgsin kentästä. Peter Higgs ei ole kuitenkaan itse erityisen ihastunut siihen, sillä se voi johtaa siihen väärinkäsitykseen, että ainehiukkaset menettävät energiaa ja no­peutta kyntäessään tahmeaa kenttää.

Näin ei nimittäin ole. Koska Higgsin kenttä edustaa pienintä energiaa, joka voi esiintyä tyhjiössä, energian ei ole mahdollista siirtyä kentästä hiukkasiin eikä hiukkasista kenttään. Siksi Peter Higgs haluaa mieluummin verrata kenttää valon taittumiseen silloin, kun valo liikkuu väliaineen, esimerkiksi lasin tai veden, kautta.

Teorian mukaan Higgsin kenttä vaatii alle 1017 asteen lämpötilan. Se tarkoittaa käytännössä sitä, että kenttä ei ole ollut olemassa aina. Ajan ja avaruuden synnyttäneen alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus oli sekunnin murto-osan ajan kuumempi.

Lukuun ottamatta ensimmäistä sekunnin biljoonasosaa Higgsin kenttä on täyttänyt aina maailmankaikkeuden viimeistä sopukkaa myöten – eikä tietenkään tyhjää täynnä oleva pikku kuutio tee poikkeusta.

Kysymykseen, onko täydellistä tyhjiötä olemassa, voidaan nykytiedon varassa vastata vain kielteisesti. Modernin fysiikan oppien mukaan siitä huolimatta, että jostakin maailmankaikkeuden osasta poistetaan kaikki aine ja ulkopuolinen sähkömagneettinen säteily torjutaan, Higgsin kenttä säilyy gravitaatioaaltojen, nollapiste-energian, virtuaali­hiukkasten ja luultavasti myös pimeän aineen ohella.

Jotkut varmasti toteavat, että ennen alkuräjähdystä ei ollut mitään tai että maailmankaikkeuden ulkopuolella ei ole mitään. Siinä, että ”ei mikään” sijoitetaan aikaan ja paikkaan, jotka fysiikan näkökulmasta tarkasteltuna ovat tosiasiallisesti olemattomia, ei ole mitään tolkkua.

Niinpä kumpaakin vaihtoehtoa voidaan pitää mielettömänä samaan tapaan kuin Thales piti yli 2 500 vuotta sitten mielettömänä ajatusta ”ei mistään”.

Lue myös:

Luonnonlait

Valo on kaksijakoinen luonnonilmiö

3 minuuttia
Luonnonlait

Kilo painaa vihdoin kilon

2 minuuttia
Luonnonlait

13 merkillistä tiedefaktaa

5 minuuttia

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!