Risto Niemisen säieteorioita suomiva kolumni Arkhimedeksen numerossa 5/2006 herättelee tervetulleella tavalla keskustelua teoreettisen fysiikan olemuksesta ja päämääristä. Jaan suuren osan Niemisen säieteoriaan kohdistamista huolista ja epäilyistä; tunnen suurta vastenmielisyyttä antrooppista periaatetta kohtaan enkä käsitä, miten 101500 degeneroituneen vakuumin löytymistä mistään teoriasta voidaan tervehtiä edistysaskeleena. Haluaisin silti valottaa asiaa hieman eri näkökulmasta sekä esittää muutaman täsmennyksen Niemisen antamaan kuvaan säieteorioista.

 

Totean selvyyden vuoksi heti aluksi, etten itse ole säieteoreetikko vaikka olenkin kirjoittanut useita artikkeleita säieteorioihin liittyvästä hiukkasfenomenologiasta. Ne syntyivät pääosin 1980-luvulla pian sen jälkeen kun englantilainen Michael Green ja amerikkalainen John Schwarz kesällä 1984 onnistuivat osoittamaan tietyn tyyppiset supersymmetriset säieteoriat kvanttifysikaalisista anomalioista vapaiksi ja siten matemaattisesti konsistenteiksi. Vaikka säieteorioita formuloitiin jo 1970-luvulla vahvojen vuorovaikutusten teorioiksi, kiinnostus niihin syttyi todella vasta Greenin ja Schwarzin löydön jälkeen. Aluksi optimismi oli suurta, kun ns. heteroottinen säieteoria vuodelta 1985 tuntui antavan lähes uniikilla tavalla hyvin realistisen (supersymmetrisen) hiukkasfenomenologian. Pian mustat pilvet sitten nousivat teorian taivaalle, ja säieteorioiden rakenne osoittautui paljon aluksi oletettua mutkikkaammaksi niin, etteivät ne ainakaan tällä hetkellä pysty tuottamaan havaittavia ennusteita.

 

Säieteorioilla on kuitenkin eräs uniikki piirre: ne ovat todella teorioita, jotka yhdistävät kvanttifysiikan ja gravitaation yhdeksi kvanttiteoriaksi. Ne siis kuvaavat sekä ainetta että avaruus-aikaa kvanttitasolla, eikä tähän ole toistaiseksi mikään muu teoria pystynyt. Kysymys tietysti on, kuvaavatko ne meidän maailmaamme vai jotakin hypoteettista todellisuutta. Niemisen mainitsema silmukka-kvanttigravitaatio (”loop quantum gravity”) ei ole tässä suhteessa vaihtoehto säieteorioille, sillä se ei sisällä lainkaan ainetta. Siksi se on jo lähtökohtaisesti vajavainen ja varmasti vielä vaikeammin havainnoin testattavissa kuin säieteoriat.

 

Säieteoreetikot luonnollisesti uskovat tutkimusalansa olevan hienointa, mitä ihmiskunta milloinkaan on keksinyt. Näin kait kaikki tutkijat ajattelevat omasta alastaan. He ovat myös lennokkaalla popularisoinnillaan onnistuneet saavuttamaan suuren yleisön huomion. Mutta puhe säieteoreetikoista eräänlaisena muita fyysikkoja kampittavana veljeskuntana on minusta liioittelua. Uskoisin tuntevani kaikki Suomen säieteoreetikot, ja karkeasti arvioiden he nielevät Suomen korkeakoulujen fysiikan henkilöresursseista noin puoli prosenttia. Luulen myös, että luku on varsin edustava maailmanlaajuisesti, vaikka toki säieteoreetikkojen suhteellinen lukumäärä vaihtelee maasta toiseen. Pohjoismaista Ruotsissa heitä on enemmän, Tanskassa ja Norjassa vähemmän. Aina luotettavalla mutu-tuntumalla puoli prosenttia kuulostaa myös oikealta kertaluvulta USA:n kohdalla.

 

Koska Tekes ei säieteoriaa (vielä) rahoita, puoli prosenttia lienee myös ehdoton yläraja suomalaisen säieteorian osuudelle kaikesta fysiikan saamasta korkeakoulujen ulkopuolisesta rahoituksesta. On vaikea kuvitella, että puolen prosentin ominaispainolla pystyisi jollakin tavoin tukahduttamaan koko muun fysiikan kehitystä. Todellisuus lienee se, että rahaa ja resursseja virtaa fysiikan suurimpaan valtakuntaan eli materiaalifysiikan eri osa-alueille aivan riippumatta siitä, mitä säieteoreetikot tekevät tai sanovat. Säieteoreetikot voivat haukkua, mutta materiaalifysiikan karavaani kulkee.

 

Mutta luonnollisesti voi argumentoida, että puolikin prosenttia on pieni puronen ja että suuret virrat syntyvät pienistä puroista. Siksi on Niemisen tavoin perusteltua kysyä, miten kauan meidän tulisi odotella tuloksia ennen kuin rahahanat väännetään kiinni.

 

Menneiden vuosikymmenien puhtaasti teoreettisista konstruktioista ensimmäisenä tulee mieleen suppea suhteellisuusteoria. Se löysi ensin hyväksynnän muutamien teoreetikkojen parista, mutta sen varsinaista kokeellista varmistusta saatiin odottaa parikymmentä vuotta kunnes suhteellisuusteoreettiset korjaukset onnistuttiin näkemään vetyatomin spektrissä. Yleinen suhteellisuusteoria löi itsensä läpi vuoden 1919 auringonpimennyksen ansiosta, mutta jälkikäteen arvioituna tuolloin tehtyjen havaintojen status oli lähinnä myyttinen; suurten systemaattisten virheidensä vuoksi ne eivät millään rationaalisella perusteella olisi oikeuttaneet syntynyttä syvää luottamusta yleiseen suhteellisuusteoriaan (kts. esim. H. Collins and T. Pinch: The Golem. What Everybody should know about Science). Kenties yleisestä suhteellisuusteoriasta tuli empiirisesti uskottava vasta Edwin Hubblen vuonna 1929 havaitsemien galaksien systemaattisten punasiirtymien ansiosta.

 

Kuuma alkuräjähdysteoria formuloitiin vuoden 1948 paikkeilla, mutta se joutui unohduksiin kahdeksi vuosikymmeneksi pääosin siksi, että silloisten tähtitieteilijöiden mielestä ajatusta ei millään pystynyt verifioimaan empiirisesti. Universumia ei voi havaita kokonaisuutena, sillä siitä nähdään kerrallaan vain pieniä palasia, kuului argumentti. Vuonna 1992 COBE-satelliitti sitten julkaisi kuvan koko näkyvästä universumista sellaisena kun se oli 380 000 vuoden ikäisenä (kts. Kurki-Suonio, Arkhimedes 5/2006).

 

Bosen-Einsteinin kondensaatti sai odottaa seitsemänkymmentä vuotta havaitsemistaan, eivätkä 1920-luvun kvanttimekaniikan arkkitehdit voineet edes kuvitella, että kvanttifysiikkaa todella voisi testata yksittäisten kvanttien avulla, kuten 1990-luvun kokeilijat ovat tehneet. Historian valossa näyttäisi siis siltä, että tärkeiden teorioiden ja niitä koskevien havaintojen välinen aika mitataan helposti vuosikymmenissä. Vain joissakin harvoissa tapauksissa vahvistava havainto saadaan nopeasti. Paraatiesimerkki on Diracin elektroniteoria, jonka ennustama positroni havaittiin neljässä vuodessa. Spektrin toisesta päästä löytyy 1300-luvulta peräisin oleva väite, jonka mukaan planeettaliikkeen ymmärtäminen vaatii jumalaista älyä eikä siis ole mahdollista ihmiselle milloinkaan; teesi osoitettiin vääräksi neljässäsadassa vuodessa.

 

Tulosten odotteluun liittyvä oikea aikaskaala ei tietenkään koske pelkästään säieteoriaa vaan on yleinen teoreettisen fysiikan ongelma. Kysymys ei kuitenkaan ole pelkästään aikaskaalasta vaan myös tehdyn panostuksen suuruudesta. Mitä enemmän rahaa on alaan sijoitettu, sitä nopeammin merkittäviä tuloksia sopii odottaa. Esimerkiksi nanotieteisiin on varmastikin panostettu enemmän kuin säieteorioihin, ja siksi on luonnollista odottaa niiden mullistavan maailmamme nopeammin kuin säieteorioiden. Mutta toisaalta nanoteknologia, kvanttitietokone ja fuusioreaktori ovat myös esimerkkejä teoreettisista sovelluksista, joiden läpimurtoja on odotettu jo vähintään neljännesvuosisata. Mutta niin tärkeistä aloista on kysymys, että lähes jokainen fyysikko on valmis odottamaan vielä toisenkin neljännesvuosisadan.

 

Samaa voinee sanoa säieteorioista, onhan kyseessä eräs merkittävimmistä teoreettisista ongelmista, joka samalla liittyy neljänsadan vuoden mittaiseen fysiikan jatkumoon. Newton oli ensimmäinen moderni yhtenäisteoreetikko, joka yhdisti kuunylisen ja kuunalisen liikkeen yhdeksi, universaaliksi gravitaatioksi; Maxwell yhdisti sähkön, magnetismin ja valon yhdeksi teoriaksi, Einstein Maxwellin teorian Newtonin teorian laajennukseen; Dirac yhdisti suppean suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan, ja Feynman ja kumppanit sitten Diracin ja Maxwellin teoriat yhdeksi kvanttikenttäteoriaksi. Nyt viimeinen askel, gravitaation ja kvanttikenttäteorioiden yhdistäminen, on vielä ottamatta. Se on päämäärä, johon fysiikan resursseista hyvin kannattaa satsata tuo YK:n suosittelema kehitysavun määrä eli 0,7 % (eli satsausta pitäisi siis nykyisestä hieman nostaa) vaikka tuloksia sitten joutuisikin odottelemaan tuleviin sukupolviin. LHC:n lisäksi säieteorioiden empiirinen koetinkivi saattaa löytyä myös kosmologiasta ja erityisesti kosmisesta mikroaaltotaustasta.

 

Vaikka säieteoriat voitaisiinkin varmistaa kokeellisesti, joku voi tietysti kiistää niiden merkityksen sillä perusteella, ettei näköpiirissä ole mitään arkipäiväistä sovellusta. Mutta sovellusten odotteluaikaskaala on vielä pidempi kuin teorian empiirisen vahvistamisen. Kopernikuksen aurinkokeskisen järjestelmän tai Newtonin kuunylistä maailmaa kuvaavan teorian osalta sovelluksia ei oikeastaan ole olemassa vielä tänäkään päivänä, kaikki ihmiskuntaa hyödyttävät avaruussovellukset kun oikeastaan liittyvät kuunaliseen maailmaan. Silti vain ranskalainen postmodernisti, joiden joukkoon en toivo yhdenkään fyysikon lukeutuvan, saattaisi kiistää Kopernikuksen tai Newtonin universaalin gravitaation suunnattoman maailmankatsomuksellisen merkityksen.

 

Kevättalvella 1984 olin ensimmäisessä postdoc-paikassani CERNissä, ja kuulin tuolloin Michael Greenin esitelmän säieteorioista. Anomaliavapaus ei vielä ollut tiedossa vaikka Green vihjailikin, että sellainen voisi olla mahdollinen. Olin etsimässä suuntaa tutkimukselleni ja mietin tosissani, pitäisikö minun alkaa tutustua tähän outoon ja silloin uuteen alaan. Päädyin kuitenkin ajattelemaan, että ”roskaahan se on, eikä siitä koskaan mitään tule”. Vain tulevat vuosikymmenet näyttävät, olinko tavattoman kaukokatseinen vai pelkästään tavattoman hölmö.

 

 

Kari Enqvist

Helsingin yliopisto