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