tiistai 18. maaliskuuta 2014

Amatööri fysiikan ihmemaassa

Fysiikka kiinnostaa, eihän sille voi mitään. Se on tieteiden kuningas - kuin uljas kotka joka kohosi siivilleen luonnontieteellisen vallankumouksen kuohuista, ja jatkaa lentoaan aina vaan korkeammalle. Fysiikka on karannut kauas arkijärjen ja koulumatematiikan tuolle puolen. Silti se kiehtoo myös ihmisiä, jotka eivät sitä oikeastaan ymmärrä. Tunnustan itsekin kuuluvani tuohon joukkoon.

Aikoinaan, kun opiskelin Otaniemessä, otin ohjelmaani kvanttifysiikkaan johdattelevan fysiikan jatkokurssin - koska se kiinnosti. En oppinut ymmärtämään kvanttifysiikkaa, mutta muistan noista luennoista vieläkin ihmeen paljon - koska ne jäivät vaivaamaan minua. Myöhemmin kuulin, kuinka Nobel-palkitulla fyysikolla Richard Feynmanilla oli tapana sanoa opiskelijoille: ”Älkää edes kuvitelko, että voitte ymmärtää kvanttimekaniikkaa. Kukaan ei ymmärrä sitä”. 

Hyväkin lohdutus. Ymmärrän sen näin: 1900- luvulla ja sen jälkeen kehitettyä fysiikkaa ei voi ymmärtää niillä tavoilla joilla yleensä asioita ymmärrämme. On vain opeteltava asiaan liittyvä matematiikka - ja se on kovaa työtä. Jokin aika sitten luin Helge Kraghin kirjan ”Kvanttisukupolvet” (Terra Cognita tietysti). Kirja esittelee modernin fysiikan 1890-luvustan nykyaikaan. Se ei ole helppo - ja sen luettuani voin edelleen sanoa etten ymmärrä kvanttimekaniikkaa ja sen jälkeisiä teorioita. 

Mutta Kraghin kirja tuotti hauskoja oivalluksia. Oma mielikuvani fysiikan historiasta osoittautui vääräksi - tai ainakin se muuttui. Tässä herkkupaloja, joista itse pidin. Ja pieni varaus: voin olla väärässäkin. 

Olin ajatellut, kuinka Michelson-Morleyn koe osoitti ettei maailmaneetteriä ole ja raivasi siten tien suhteellisuusteorialle. Vaan ei se ihan niin suoraviivaista ollut. 1800-luvun teoreettisen fysiikan suurin keksintö oli Maxwellin yhtälöt, ja se teki aikalaisiin valtavan vaikutuksen. Samaan aikaan fyysikot olivat tavattoman kiinnostuneita sähköhiukkasista. Nämä seikat motivoivat fyysikot kunnianhimoiseen ohjelmaan. William Thompson (myöhemmin lordi Kelvin) muotoili teorian, jonka mukaan sähköhiukkaset ovat itse asiassa pieniä eetteripyörteitä. Siis sähköhiukkaset ja itse asiassa kaikki aine ja koko maailma muodostuvat näistä eetteripyörteistä. Ne synnyttävät varaukset, ja myös hiukkasen massa syntyy kun hiukkanen liikkuu eetterin läpi. Eetteriteoria oli siis paljoin syvällisempi kuin vain väliaine jossa valo ja sähköaallot liikkuvat. 

Valon nopeutta mittaamalla siis yritettiin nähdä eetterituulen suunta. Koska maapallon nopeus radallaan on yli 20 km/s, se aiheuttaa valon nopeuteen muutoksen luokkaa 1/10 000. Se pitäisi olla helppo mitata, mutta tällaista havaintoa ei aiemmissa kokeissa saatu. Eetteriteorian mukaan syynä on, että eetteri takertuu osittain kiinni materiaan ja siten se ”raahautuu” materian mukana. Michelson-Morleyn koe suunniteltiin siten ettei paikallisen eetterin takertumisen pitäisi haitata mittausta. Vaikka "eetterituulta" ei  edelleenkään havaittu, tulosta ei pidetty mitenkään musertavana, ja syytä haettiin edelleen eetterin ominaisuuksista
 
Hendrik Lorenz johti kaavoja sille, miten nopeus eetterin suhteen vaikuttaa sähköisistä eetteripyörteistä koostuvaan materiaan. Hänen kaavansa tunnetaan Lorenzin muunnoksena. Ja koko tieteenalaa sanottiin sähködynamiikaksi. Nämä kaavat ovat edelleenkin etterihypoteesin kaatumisesta huolimatta päteviä, ne kuvaavat täsmällisesti liikkeen vaikutusta liikkuvien kappaleiden mittoihin ja ajan kulumiseen.
 
Vuonna 1905 Einstein julkaisi artikkelin, joka esitteli erityisen suhteellisuusteorian. Ja nyt selviää, miksi paperin nimi oli ”Liikkuvien kappaleiden sähködynamiikka”. Nimi oli aikansa tieteen valtavirtaa. Tosiasiassa Einstein ei piitannut eetteripyörteistä, hänelle materia oli todellista. Hän sivuutti tekstissä eetterin tykkänään. Hän ei myöskään perustellut kantaansa Michelson-Morleyn kokeella.

Einsteinin artikkeli löytyy netistä. Se on tietysti kirjoitettu saksaksi. Artikkeli on selkeä ja sen matematiikka on kohtalaisen helppoa. Ja ennen kaikkea: siinä ei ole minkäänlaisia filosofisia spekulaatioita. Einstein halusi nimittää teoriansa invarianssiteoriaksi - koska se antaa teoreettisen vahvistuksen valon nopeuden muuttumattomuudelle. Suhteellisuusteoria- nimen taisi antaa Nils Bohr, ja se jäi käyttöön - valitettavasti.

Myös Einsteinin toinen vuoden 1905 artikkeli löytyy netistä, ja se on yhtä selkeää tavaraa ilman spekulaatioita. Einstein kysyy artikkelin otsikossa kainosti: ”Voisikohan kappaleen energiasisältö vaikuttaa sen massaan”? Kyseessähän on ”maailman kuuluisin yhtälö”, eli E=mc2. Hauskaa on, että tässä muodossa yhtälöä ei artikkelista edes löydy.

Kolmannessa vuoden 1905 artikkelissa Einstein selittää valosähköisen ilmiön. Näin hän antoi tärkeä sysäyksen kvanttimekaniikalle. Hän ei kuitenkaan keksinyt kvantittumista, vaan ansio kuulunee Max Planckille. Planck ei alkuun pitänyt kvantteja todellisina, vaan eräänlaisina laskennallisina apuneuvoina. Mutta aikaa myöten ne oli pakko ottaa vakavasti.

Vuotta 1905 on syystä sanottu ihmeelliseksi vuodeksi (annus mirabilis). Jokseenkin tuntematon Bernin patenttitoimiston virkailija julkaisee neljä artikkelia (neljäs käsitteli Brownin liikkeeksi sanottua ilmiötä), joista yksikin olisi nostanut hänet fyysikkojen eturiviin.

Tarinan jatko ei ole Einsteinin kannalta hauska. Vuoteen 1927 mennessä kvanttifysiikka, jota alettiin sanoa kvanttimekaniikaksi, oli vihdoin saanut matemaattisen muotoilunsa (Schrödinger, Heisenberg). Einstein ei koskaan hyväksynyt kvanttimekaniikkaa, jonka syntymiseen hän oli vaikuttanut. Hän oli vakuuttunut, että maailman pitää olla käsitettävä. Ja kvanttimekaniikkaa ei voi käsittää. Vuonna 1927 ja 1930 Einstein ja Nils Bohr ottivat aiheesta kiivaasti yhteen julkisessa väittelyssä. Einstein hävisi ottelun kummallakin kerralla. (Mutta yleinen suhteellisuusteoria, jonka Einstein julkaisi 1915 voi edelleen varsin hyvin).

Jälkinäytös: 1970- luvulta lähtien eräs itseoppinut eksentrikko, Kauko Nieminen, on levittänyt omakustannusjulkaisuja ”eetteripyörteistä”. Julkaisujen mukaan eetteripyörteet selittävät, paitsi maailman rakenteen, myös parapsykologian ja ufot. Raamattuakin on sotkettu mukaan. Tietoa Niemisestä löytyy googlaamalla. Ehkäpä hän löysi itsenäisesti uudelleen 1800-luvun lopun fysiikkaa innostaneen mielikuvan. Joidenkin ideoiden älyllinen viettelevyys on hämmästyttävää.