Sera Cremonini uskoo, että joidenkin maailmankaikkeuden suurimpien mysteerien salaisuudet saattavat piillä sen pienimpien ainesosien käyttäytymisessä.
Ajatellaanpa vaikka maailmankaikkeuden alkua. Sekunnin murto-osassa 14 miljardia vuotta sitten tapahtuneen alkuräjähdyksen jälkeen valtava määrä tiukasti rajattua ainetta räjähti superkuumaksi subatomisten hiukkasten mereksi.
Ja ajattele mustia aukkoja, jotka muodostuvat massiivisten tähtien romahtaessa. Ne puristavat materiaa niin tiiviisti, ettei mikään niiden alueelle tuleva pääse koskaan pois, ei edes valo.
Miten maailmankaikkeuden ensimmäiset hiukkaset vuorovaikuttivat keskenään? Miten ne muodostivat kvarkkeja, ja miten nämä yhdistyivät muodostaen ensimmäiset protonit ja neutronit? Ja mitkä lait ohjaavat mustan aukon ”gravitaatiosingulariteettia”, repeämää avaruusajan kudoksessa, jossa tiheys ja painovoima muuttuvat äärettömiksi?
Fysiikan apulaisprofessori Cremonini tutkii näitä kysymyksiä säieteorian linssin läpi, jossa ehdotetaan, että jokainen maailmankaikkeuden hiukkanen koostuu pienistä värähtelevistä energian säikeistä. Jousi on kooltaan vain 10-34 metriä, joten se on kooltaan yhtä suuri kuin kvarkki, kuten atomi on kooltaan yhtä suuri kuin maapallo.
Jouset ovat yksiulotteisia objekteja, joilla on pituus mutta ei leveyttä. Ne voivat olla avoimia, muodostaa suljetun silmukan tai kiinnittyä kalvoihin eli haaroihin, jotka voivat olla pieniä tai täyttää koko maailmankaikkeuden. Kuten kitaran jouset, jotka on viritetty tuottamaan eri taajuuksia, jousien värähtelyt voidaan yhdistää erilaisiin meille tuttuihin hiukkasiin. Yksi näistä vastaa gravitonia, hiukkasta, jonka uskotaan kantavan gravitaatiovoimaa. Tapa, jolla jouset ja kalvot järjestäytyvät ja ovat vuorovaikutuksessa keskenään, synnyttää havaitsemiemme subatomisten hiukkasten ominaisuudet.
”Jousiteorian idea on yksinkertainen”, Cremonini sanoo. ”Katso syvälle minkä tahansa hiukkasen sisälle, niin näet pienen värähtelevän jousen. Tämä on se perusyksikkö, jota olemme etsineet, se perusyksikkö, josta kaikki koostuu.”
Jousiteoria on Cremoninin mukaan paras tähän mennessä keksitty kehys, jolla voidaan yhdistää kaksi yhteensopimatonta teoriaa, jotka kuvaavat maailmankaikkeuden toimintaa. Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria opettaa, että painovoima on avaruuden ja ajan taipumista; se on deterministinen ja se kuvaa laajamittaisia ilmiöitä. Kvanttimekaniikka on probabilistinen; se säätelee atomien ja subatomisten hiukkasten käyttäytymistä.
”Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria on kaunis, hyvin testattu teoria, joka kertoo meille, miten massiiviset kappaleet vääristävät avaruusajan kudosta”, Cremonini sanoo. ”Sen ansiosta meillä on GPS-järjestelmät ja ymmärrämme planeettojen kiertoradat ja valon taipumisen galakseissa. Vasta viime vuonna LIGO-kokeessa havaittiin ensimmäistä kertaa gravitaatioaaltoja, jotka Einstein ennusti 100 vuotta aiemmin. Ne ovat kahden mustan aukon törmäyksen aiheuttamia aaltoja itse avaruusajassa, mikä on näyttävä vahvistus yleiselle suhteellisuusteorialle.
”Mutta yleinen suhteellisuusteoria toimii hyvin vain suurilla etäisyyksillä tai suurissa mittakaavoissa – planeetalla, omenalla tai lentokoneella. Teoria ei pysty kuvaamaan painovoimaa kaikkialla maailmankaikkeudessa. Se hajoaa, kun mennään hyvin, hyvin lyhyille etäisyyksille, joilla kvanttimekaniikan vaikutuksia ei voi jättää huomiotta.
”Yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka selittävät hyvin omat alueensa, mutta tarvitsemme teorian, kvanttigravitaatioteorian, joka yhdistää molemmat, jotta voimme kuvata tilanteita, joissa gravitaatio- ja kvanttivaikutukset ovat yhtä tärkeitä. Säieteoria on tällä hetkellä lupaavin ja johdonmukaisin kehys, jonka avulla voimme valottaa gravitaation kvanttiluonnetta. Se on joukko työkaluja, joiden avulla voimme vastata kysymyksiin maailmankaikkeuden alusta, mustien aukkojen käyttäytymisestä ja ominaisuuksista sekä avaruusajan rakenteesta. Kaikki nämä ajatukset kuuluvat yhteen.”
Cremonini sai hiljattain National Science Foundationilta kolmivuotisen apurahan tutkiakseen avaruusajan mikrorakennetta, sitä neliulotteista jatkumoa, johon kolme fysikaalista ulottuvuutta kudotaan ajan kanssa. Holografiaksi kutsutun tekniikan avulla hän toivoo voivansa valottaa ilmiöitä alkuräjähdyksen välittömistä jälkimainingeista mustien aukkojen rakenteeseen ja ominaisuuksiin sekä korkealämpöisten suprajohteiden kaltaisten epätavanomaisten materiaalien käyttäytymiseen.
Kehämäinen lehmä
Cremonini aloittaa suuren osan tutkimuksestaan lyijykynällä ja paperilla, ja hän kirjoittaa differentiaaliyhtälöitä, jotka eivät ole paljon monimutkaisempia kuin ne, joita opiskelijat opettelevat ratkomaan korkeakoulun laskennassa. Yhtälöt ovat yleisen suhteellisuusteorian, kvanttikenttäteorian ja säieteorian yhtälöitä.
”Monet näistä laskutoimituksista vaativat fyysistä intuitiota”, hän sanoo. ”Osa niistä voidaan tehdä käsin. Kun olen asettanut ongelman oikealla tavalla, käytän tietokonetta apuna.”
Kuten useimmat fyysikot, Cremonini tekee monia approksimaatioita ja oletuksia todellisesta maailmasta. Tämä on erityisen tärkeää säieteorian kohdalla, sillä tutkijat eivät ole vielä kehittäneet työkaluja, joilla säikeitä voitaisiin tuottaa tai havainnoida.
”Fysiikassa on vitsi pallomaisesta lehmästä”, hän sanoo. ”Useimmat ongelmat, joiden parissa fyysikot työskentelevät, edellyttävät, että teemme likiarvoja todellisesta maailmasta, kuten otamme lehmän ja teemme siitä pallonmuotoisen, koska palloa on paljon helpompi mallintaa kuin oikeaa lehmää.
”Meillä ei ole matemaattisia työkaluja tiettyjen ongelmien ratkaisemiseen, joten meidän on pakko tehdä yksinkertaistuksia ja likiarvoja, jotka vähentävät ongelman johonkin sellaiseen, jonka voimme ratkaista. Meidän on suhteutettava ongelma, jota emme osaa ratkaista, johonkin, jonka tiedämme olevan ratkaistavissa menettämättä sen olennaisia fysikaalisia ominaisuuksia.”
Gravitaatio-kvanttisanakirja
Cremonini sanoo, että jousiteorian dualiteetti antaa oivalluksia siitä, miten gravitaatio liittyy kvanttimekaniikan maailmaan. Joillakin gravitaation avaruusajan osa-alueilla on hänen mukaansa vaihtoehtoisia kuvauksia kvanttimaailmassa.
”Säieteoriassa opimme, että tietyillä gravitaatioteorioilla, jotka elävät tietyssä määrässä ulottuvuuksia, on vastaavat ja täysin ekvivalentit kuvaukset kvanttiteorioissa, jotka elävät yhdellä ulottuvuudella vähemmän. Tämän ulottuvuuksien lukumäärän eron vuoksi kutsumme tätä holografiaksi, sillä se muistuttaa hologrammia, joka on kolmiulotteisen kohteen projisointi kahteen ulottuvuuteen.”
Kuten ranskalais-saksalainen tai japanilais-englantilainen sanakirja, sanoo Cremonini, gravitaatioteoria ja sitä vastaava kvanttiteoria sisältävät saman määrän informaatiota, mutta ne on kirjoitettu erilaisilla sanoilla ja konventioilla. Cremonini sanoo, että holografia tarjoaa ”rikkaan verkoston” yhteyksiä, jotka mahdollistavat kääntämisen gravitaatio- ja kvanttimaailman välillä ja täysin uudenlaisen ajattelun joistakin niiden haastavimmista puolista. On käynyt ilmi, että ongelma, joka on vaikea ratkaista yhdellä alueella, voidaan kääntää toiselle – yleensä gravitaatioalueelle – jossa se on helpommin ratkaistavissa.
Todellisuuden epäsymmetriaa arvioimassa
Cremoninin tämänhetkisen tutkimuksen tavoitteena on laajentaa niiden ongelmien joukkoa, joihin holografisia tekniikoita voidaan tehokkaasti soveltaa.
”Holografiset tekniikat kehitettiin alunperin yksinkertaisia järjestelmiä varten, jotka ovat hyvin käyttäytyviä, joissa on paljon symmetriaa ja jotka eivät ole liian realistisia”, hän sanoo. ”Olemme huomanneet, että nämä tekniikat ovat paljon laajempia ja varsin tehokkaita. Kysyn, kuinka paljon voimme laajentaa ja yleistää näitä ajatuksia monimutkaisempiin järjestelmiin, joissa on vähemmän symmetriaa ja jotka ovat lähempänä maailmankaikkeuttamme ja siksi realistisempia.”
”Fyysikot ajattelevat asioita mielellään symmetrioiden avulla. Suurin osa edistyksestämme, erityisesti hiukkasfysiikassa, on perustunut erittäin symmetristen järjestelmien ymmärtämiseen; niitä on yksinkertaisesti helpompi ymmärtää. Todellisessa elämässä luonnossa on kuitenkin monia mekanismeja, joilla symmetrioita voidaan rikkoa, ja prosessit ovat dynaamisia ja paljon monimutkaisempia.”
Fyysikoille suurimmat haasteet aiheuttavat ongelmat liittyvät Cremoninin mukaan yleensä systeemeihin, joiden osatekijät – esimerkiksi elektronit – ovat voimakkaassa vuorovaikutuksessa keskenään. Näissä tapauksissa sen mallintaminen, miten systeemit käyttäytyvät eri lämpötiloissa tai miten niissä tapahtuu faasisiirtymiä tilasta toiseen, on tunnetusti vaikeaa.
Yksi Cremonininin tutkimista faasisiirtymistä tapahtuu kvanttisysteemissä, jota kutsutaan kvark-gluoniplasmaksi. Kvanttikromodynamiikan (QCD) teorian mukaan atomin ytimen muodostavat protonit ja neutronit koostuvat itse kolmesta pienestä kvarkista, jotka ovat tiukasti sidoksissa toisiinsa gluoniksi kutsuttujen hiukkasten avulla. Riittävän suurilla energioilla kvarkit ja gluonit eroavat fyysisesti toisistaan ja leijuvat vapaasti kuumassa keitossa eli plasmassa. Kvarkkeja irrottava faasimuutos tunnetaan nimellä QCD:n dekonfinaatio, ja sitä tutkitaan Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa sijaitsevassa relativistisessa raskaiden ionien törmäyttimessä ja Sveitsissä sijaitsevan Euroopan ydintutkimusorganisaation CERNin suuressa hadronitörmäyttimessä.
”Kvarkkien ja gluonien välisten voimakkaiden vuorovaikutusten vuoksi”, Cremonini sanoo, ”tätä systeemiä on hyvin vaikea tutkia. Mutta se voidaan kartoittaa sopivaan gravitaatiosysteemiin, jossa joitakin sen ominaisuuksia on paljon helpompi tutkia.”
Kun energia hallitsee käyttäytymistä
NSF-hankkeessaan Cremonini pyrkii käyttämään hologrammitekniikoita tutkiakseen aineen kvanttivaiheita, joiden käyttäytymistä tunnetaan huonosti juuri tällaisten vahvojen vuorovaikutusten vuoksi. Esimerkkinä ovat korkean lämpötilan suprajohteet, jotka saavuttavat suprajohtavuuden jopa -70 celsiusasteen lämpötiloissa, kun tavallisten metallisten suprajohtavien materiaalien kynnysarvo on -240 astetta.
Koska niissä on vahvasti vuorovaikuttavia ainesosia, Cemonini sanoo, korkean lämpötilan suprajohteita on paljon haastavampi mallintaa kuin tavallisia suprajohteita.
”Korkean lämpötilan suprajohteet ovat hyvin mielenkiintoisia materiaaleja, mutta ei ole olemassa syvällistä ymmärrystä siitä, miksi ne suprajohtavat”
. ”Näiden materiaalien ainesosien käyttäytyminen on hyvin outoa. Niiden elektronit ovat niin sotkeutuneita ja vuorovaikutuksessa niin voimakkaasti, ettemme voi ymmärtää niiden käyttäytymistä tekniikoilla, joita normaalisti käytämme tavallisiin suprajohteisiin tai tavanomaisiin metalleihin. Holografiset tekniikat antavat meille keinon kirjoittaa helposti lähestyttäviä laskutoimituksia, jotka mahdollistavat näiden systeemien ja niiden epätavallisten ominaisuuksien mallintamisen.”
Monien systeemien käyttäytymistä voidaan verrata sokerihumalassa olevien lasten käyttäytymiseen. Kun systeemistä poistetaan energiaa, Cremonini sanoo, systeemi relaksoituu nollaenergia- tai perustilaansa. Kun energiaa lisätään, usein lämmön avulla, systeemi innostuu ja käyttäytyy rikkaasti.
”Fysiikassa on tärkeää ymmärtää, miten systeemit käyttäytyvät, kun niiltä poistetaan energiaa, ja mihin tilaan ne rentoutuvat. Käyttäytyminen on energian funktio.”
”Ajattele, mitä tapahtuu, kun vesi kiehuu. Muodostuu kupla – systeemin epävakaus – ja se alkaa kasvaa. Sitten muodostuu lisää kuplia ja ne kasvavat höyryäväksi massaksi. Näin ajattelemme faasisiirtymiä; ne ovat olemassa, koska epästabiilius muodostuu ja sitten kasvaa. Työssäni tutkin erilaisia kvanttivaiheita ja siitä johtuvia epävakaisuuksia.”
Cremonini tutkii NSF-hankkeessaan myös sitä, miten painovoima syntyy mikroskooppisista, kvanttimekaanisista osatekijöistä. Hän toivoo vastaustensa valaisevan avaruusajan rakennetta, maailmankaikkeuden alkua ja varhaista kehitystä sekä mustien aukkojen fysiikkaa.
”Säieteoria on antanut meille paljon tietoa yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan välisestä suhteesta, erityisesti viimeisten 20 vuoden aikana. Se on auttanut meitä oppimaan mustien aukkojen perusrakenteesta. Tiedämme, että mustilla aukoilla on lämpötila, mikä tarkoittaa, että niihin liittyy entropiaa. Entropia ei kuitenkaan ole vain epäjärjestyksen mitta. Se kertoo meille myös, että mustan aukon pitäisi koostua joukosta mikroskooppisia bittejä. Yksi säieteorian suurista saavutuksista on se, että se on antanut meille keinon laskea mikroskooppiset bitit, joista tietyt mustat aukot koostuvat, ja se on toistanut niiden entropian hyvin tarkasti. Tämä on merkittävää, ja se on välttämätön edellytys mille tahansa kvanttigravitaatioteorialle.
”Ehkä on olemassa jokin toinen teoria, joka voi kuvata kaikki nämä ilmiöt. Se on mahdollista, mutta toistaiseksi säieteoria on paras kehys, joka meillä on.”
Juttu: Kurt Pfitzer

Kirjoitus: Kurt Pfitzer