Edellisessä mittakaavakirjoituksessani käsittelin metriä pidempiä etäisyyksiä aina näkyvän maailmankaikkeuden reunalle saakka, missä varsin paradoksaalisesti saavuimme lopulta universumin lyhyimpiin mittakaavoihin. Tässä kirjoituksessa tarkastelemme lähemmin näitä mikro-, nano-, piko-, jne.-skooppisia etäisyyksiä sukeltaen tutusta yhdestä metristä skaaloissa alaspäin syvälle intuition rajojen tuolle puolen.
Vielä varoituksen sana: Näillä mittakaavoilla on tapana sitoa ihmisjärki jaloista peräkoukkuun ja ajaa moottoritiellä sataaviittäkymppiä väärään suuntaan. Ottakaatten siis tekoviiksistänne kiinni, matka alkaa!
Lähtiessämme laskeutumaan mittakaavoissa yhdestä metristä alaspäin ensimmäisenä taukopaikkanamme toimikoon metrin tuhannesosa, yksi millimetri. Tästä mittakaavasta meillä on vielä monia arkiperäisiä kokemuksia, sillä voimmehan paljain silmin nähdä millimetrin kokoisia yksityiskohtia, kuten näin kesän kynnyksellä alituiseen ja aivan häpeilemättä bilettävät muurahaiset. Toinen epäilemättä tuttuakin tutumpi esimerkki on pölypunkki, joka on noin puoli millimetriä pitkä pohjimmiltaan sympaattinen veijari, joka pienestä koostaan huolimatta on allergikkojen suuri kauhu. Siinäpä opiksi meille kaikille: Pienikin voi saavuttaa elämässään jotain suurta, tai ainakin astmakohtauksen. Millimetritasolla on siis vielä runsaasti elämää. Muina esimerkkeinä toimikoon noin neljäsosamillimetrin pituinen pieni sitruspuiden perivihollinen, keltapunkki, ja vain millin kymmenesosan mittainen pelto-ohdakkeissa pesivä ruostepunkki, joista onnistuin löytämään päheät elektronimikroskooppikuvat. Millimetrin kymmenesosa on myös jotakuinkin keskimääräisen ihmiskarvan läpimitta, minkä vuoksi eräskin anarkistinen ruostepunkki väittää kainaloani sademetsäksi. Vaan eläimet eivät suinkaan lopu millimetrin mittakaavaan --- alkavat vain yhä vähemmän ja vähemmän näyttämään eläimiltä. Pienin tunnettu aitotumallinen itsenäisesti elävä otus on yksisoluinen Ostreococcus, joka on noin yhden mikrometrin, eli millimetrin tuhannesosan, pituinen. Ostreococcuksen koko genomi sisältää alle kaksi megatavua dataa, mitä voi verrata ihmisen genomin noin 800 megatavuun, joka toisaalta mahtuu edelleen kätevästi yhdelle cd-levylle.
Toisaalta keskikokoinen ihmissolu on noin yhden millimetrin sadasosan, eli kymmenen mikrometriä, halkaisijaltaan. Ihmiskarva on siten muutaman kymmenen solua leveä, kuten tämä hahmoitelma karvan rakenteesta kätevästi havainnollistaa. Soluja yhdessä ihmisessä on vaatimattomat muutama kymmenen miljardia eli lähes saman verran kuin Linnunradassa tähtiä, tai näkyvässä universumissa galakseja. (Kuten edellisessä osassa totesimme, tämä on toisaalta suunnilleen sama kuin hiekanjyvien lukumäärä hiekalla täytetyssä keskikokoisessa uima-altaassa.) Solun keskus, tuma, jossa tuo yllämainittu 800 megatavun genomi sijaitsee, vie noin kymmenesosan ihmissolun tilavuudesta ollen muutaman mikrometrin halkaisijaltaan. Siispä myttyyn kääriytyneenä yksittäiset ihmiskromosomit ovat myöskin vain muutaman mikrometrin pituisia. Toisaalta, jos myttyyn kääriytyneet geneettisen koodin sisältävät kromosomimolekyylit nyhdettäisiin auki, niin ne ylettyisivät suoristettuina jopa kahden metrin yhteispituuteen. Koska näiden kromosomien tulee sisältää ohjeet siitä, miten oikeaoppinen ihmisyksilö rakennetaan, sekä samalla mahtua yksittäisen solun sisään, niin ymmärrettävästi optimaalinen pakkaus on kaikki kaikessa. Seuraava kuva havainnollistaakin mainiosti, miten tunnusomainen muutaman nanometrin halkaisijaltaan oleva DNA-rihman kaksoisheliksirakenne on käärittynä itsensä ja tiettyjen erityisten käärintäproteiinien ympäri kerta toisensa jälkeen kromosomien sisään. Mutta juuri siitä syystä, että DNA-rihma sisältää rakennusohjeet ihmiskehon kriittisten peruselementtien, proteiinien, valmistamiseksi, niin paitsi että se täytyy pakata hyvin, sen täytyy olla myös kätevästi avattavissa ja luettavissa, sillä solu tarvitsee näitä ohjeita jatkuvasti valmistaakseen tarvitsemiaan osia. DNA-koodin lukemiseksi on vuosimiljardien kuluessa kehittynyt monimutkainen molekyylikoneisto, joka avaa rihman, ja kopioi proteiinin valmistusohjeet. Proteiinit ovat myös mittakaavatarkastelullemme tärkeitä, sillä ne ovat molekyylimaailman jättiläisiä. Esimerkkinä toimikoon vaikkapa muiden proteiinien kasaan käärimisessä avustava saperonimolekyyli, joka koostuu tuhansista yksittäisistä atomeista, kuvassa nähtävistä pienistä rypylöistä, joiden läpimitta on kymmenesosa nanometrin luokkaa. Siten yksittäisen saperonimolekyylin halkaisija on ehkäpä noin kymmenen nanometriä, eli yksi tuhannesosa ihmissolun leveydestä, tai kymmenestuhannesosa hiuksen halkaisijasta. Tästä huolimatta proteiinit vievät soluliman tilavuudesta jopa noin kolmasosan, muodostaen jo yksittäisen solun sisällä erittäin monimutkaisen molekyylikoneiston, jota ei vielä kovinkaan hyvin ymmärretä. Proteiinien vuorovaikutukset solujen sisällä ovat niin äärimmäisen monimutkaisia, että en edes uskalla yrittää sanoa yhtään mitään enempää niistä, jotten eksyisi yhä kauemmas aiheesta --- enkä toki halua alkaa hiuksia halkomaan... Mutta olemme sentään onnistuneet kromosomirihmastojen ja jättiläisproteiinien avulla laskeutumaan edelleen yhden pykälän alaspäin mittakaavoissa, nanometreihin nimittäin.
Tässä vaiheessa, kerättyäni salamannopeasti rohkeuteni, haluaisin tosin yrittää sanoa vielä hieman enemmän proteiinien vuorovaikutuksista. Nimittäin sen, että tällä proteiinitasolla tarkasteltuna ihmiset näyttävät olevan huikean monimutkaisia molekyylikoneistojen kokoelmien kokoelmien ... kokoelmien kokoelmia. (Kokemuksieni mukaan joku voisi tuntea houkutuksen sijoittaa sanan "vain" edelliseen lauseeseen, "vain huikean monimutkaisia molekyylikoneistojen kokoelmien ... kokoelmia", mutta en itse ymmärrä miksi. Avaudun tästä aiheesta lisää myöhemmässä kirjoituksessani.) Tämä näkymä ihmisyyteen, ja elämään ylipäätään, on niin uskomattoman käsittämättömän hämmentävä ja arkijärjen vastainen, että itse en kykene ymmärtämään, mitä se edes varsinaisesti tarkoittaa. Tietyssä mielessä tämä ihmisjärkeni rajoittuneisuus on vieläkin dramaattisempaa kuin suurten mittakaavojen tapauksessa, sillä tällä kertaa kyse on myös itseni, oman rakenteeni, ymmärtämisestä. Ja samalla tavalla kuin edellisen mittakaavakirjoituksen kontekstissa mainitsin, kun yritän venyttää tajuntaani piirun verran oikeaan suuntaan hahmottaakseni tuon molekyylikoneistojärjestelmien järjettömän monimutkaisuuden, mieleni valtaa aina hetkeksi se hassu tunne, joka valtaa mieleni aina hetkeksi, kun yritän tehdä niin. Haastan taas sinut, hyvä lukija, yrittämään hahmottaa maailma tästä näkökulmasta, kun seuraavan kerran kuljeksit ruuhka-aikaan asuinpaikkakuntasi keskustassa. Tulet huomaamaan, että molekyylikoneistojärjestelmät suorittavat monia hyvin hyvin omituisia toimintoja!
Olemme siis tähän mennessä saapuneet nanometrin mittakaavaan. Hahmoittamisen helpottamiseksi voi edelleen todeta, että yksi nanometri on millimetrille sama kuin yksi millimetri on kilometrille. Eipä siis juuri mitään mainitsemisen arvoista. Tässä vaiheessa matkaamme alamme toisaalta huomaamaan jotain hyvin outoa: todellisuus vaikuttaa toimivan hetkittäin hyvin epätodellisella tavalla. Totuuden väliaine vaikuttaa samenevan samenemistaan sukeltaessamme yhä syvemmälle, emmekä voi pian olla varmoja mistään, paitsi siitä, ettemme voi olla varmoja mistään, paitsi siitä, ettemme voi olla varmoja mistään, paitsi siitä... Se, mitä yleensä todellisuudeksi kutsumme, osoittautuukin olevan todellisuudessa vain karkea keskimääräistys todellisesta todellisuudesta, jos sellainen on olemassa, mitä toisaalta syvästi epäilen. Jos ajattelet, että tämä sepostukseni vaikuttaa nyt kyllä kovin ristiriitaiselta ja sekavalta, niin olet oikeassa! En pysty mitenkään suomenkielellä selittämään, mitä näillä mittakaavoilla oikeasti tapahtuu, sillä ajattelumme ja siihen pohjautuva luonnollinen kieli perustuvat täysin todellisuuden käyttäytymiseen suurilla etäisyyksillä, jonka ennakoimiseksi tietoisuutemme on evoluution myötä kehittynyt. Ainoa kieli, jolla todellisuuden omituista käyttäytymistä näillä pienillä etäisyyksillä on onnistuttu kuvaamaan, on matematiikka, joka jollain varsin mystisellä tavalla vaikuttaa kykenevän paikkaamaan, tai ainakin osittain kiertämään, ihmisjärjen rajoitteet. Tätä matemaatiikan kielellä muotoiltua todennäköisyyksiin pohjautuvaa fysiikan teoriaa, jonka onnistuu kuvata havaintojamme fysikaalisista systeemeistä näillä nanoskooppisilla etäisyyksillä, kutsutaan kvanttimekaniikaksi. (Tulen varmastikin kirjoittamaan marginaalisesti selkeämmän, paremman, tai ainakin pidemmän sepostuksen kvanttimekaniikasta lähitulevaisuuden blogailuissani, koska se on epäilemättä yksi fysiikan kiehtovimmista konsepteista.)
Suurin molekyyli, joka on saatu kontrolloiduissa laboratorio-oloissa käyttäytymään merkittävän kvanttimekaanisesti, on kuudesta kymmenestä hiiliatomista koostuva nanometrin halkaisijaltaan oleva fulleriinipallo C60. Tätä suurempien kappaleiden kvanttimekaanisuus ei varsinaisesti häviä mihinkään, vaan kvanttimekaniikka pitää paikkansa myös suurilla etäisyyksillä --- juurikin kvanttimekaniikan mukaisesti yhä suurempien kappaleiden käyttäytyminen lähestyy yhä enemmän "normaalin" kaltaista. (Tähän siirtymäänkin liittyy tosin toistaiseksi selvittämättömiä mysteereitä, kun alkaa vähän pintaa syvemmältä kaivamaan.) Toisaalta kvanttimekaaninen käyttäytyminen tulee yhä merkittävämmäksi, kun siirrymme tarkastelemaan yhä pienempiä mittakaavoja. Tästä huolimatta jatkamme pääosin, tai ainakin vielä tämän kirjoituksen puitteissa, objektien kuvittelemista pieninä kiinteinä möykkyinä, hiukkasina, näillä pienemmilläkin mittakaavoilla --- kaiken juuri oppimamme vastaisesti. Toinen yhtälailla väärä mielikuva, jota voi tietyissä tilanteissa paremman puutteessa soveltaa kvanttimekaanisiin hiukkasiin, on aalto. Itse asiassa kevyet kvanttihiukkaset, kuten fotonit eli sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset, ovat valon muodossa enimmäkseen lähempänä aaltoa kuin hiukkasta, kun taas raskaammat hiukkaset, kuten elektronit, ovat enimmäkseen lähempänä kiinteää hiukkasta. Mutta molemmilla hiukkasilla on kummatkin luonteet, tai oikeastaan ei kumpaakaan, koska nämä hiukkas- ja aaltoluonteet ovat vain ihmismielen heiveröisiä yrityksiä luokitella todellisuus sille tuttuihin kategorioihin.
Nyt, kun olen saanut sinut ehkä vakuutettua siitä, että tästä eteenpäin mentäessä en kykene enää kuvaamaan maailmankaikkeutta, menkäämme eteenpäin. Noin kymmenesosa nanometrin, yhden ångströmin, halkaisijaltaan olevat atomit ovat aineen pienimpiä osasia siinä mielessä, että niiden ominaisuudet pääasiassa määrittävät niistä koostuvan aineen ominaisuudet, eikä niiden osasilla ole enää suoraa merkitystä aineiden ominaisuuksille. Eikä voisikaan olla, sillä kaikki atomit rakentuvat täysin samoista osista, ja siten tätä pienemmillä mittakaavoilla eri aineita ei siis ole olemassa. Osoittaakseni, että atomien käyttäytymisen lisäksi myös niiden koko on täysin käsityskyvyn ulkopuolella, mainitsen ihmiskehon koostuvan noin kymmenestä kvadriljardista atomista. Kvadriljardi on tuhat miljardia miljardia, eli ykkönen ja 27 nollaa. Vertailun vuoksi voi todeta, kuten edellisessä mittakaavakirjoituksessa kerroin, että koko näkyvässä maailmankaikkeudessa on kaiken kaikkiaan noin kymmenen triljardia (10^22) tähteä. Yhdessä ihmisessä on siis noin miljoona kertaa enemmän atomeita kuin koko näkyvässä universumissa tähtiä --- töttöröö! Lue vielä edellinen lause uudelleen ajatuksen kera. (Varo tosin jäämästä ikuiseen luuppiin tässä...) Jos edellisessä osassa tunsit itsesi pieneksi mitättömäksi hiduksi, niin nyt ovat asetelmat kääntyneet täysin päälaelleen, ja vielä enemmän. Toinen ehkäpä havainnollisempi vertaus: Jos omena suurennettaisiin maapallon kokoiseksi, niin suurennetun omenan atomit olisivat jotakuinkin alkuperäisen omenan kokoisia. (Wikipedian mukaan tämä on peräisin fysiikan suuren sankarin ja pitkäaikaisen esikuvani Richard Feynmanin Six Easy Pieces-kirjasta.)
Atomithan puolestaan koostuvat atomiytimestä ja ydintä kiertävistä elektroneista, joita sitoo yhteen sähkömagneettinen voima, sillä ytimellä ja elektroneilla on vastakkaiset sähkövaraukset. Atomeille kvanttimekaniikka on elinehto: Jos elektronit käyttäytyisivät kuin normaalit kiinteät hiukkaset, niin kiertäessään atomiydintä ne menettäisivät sähkömagneettisena säteilynä liike-energiansa alta hyvin pienen aikayksikön, ja syöksyisivät saman tien ytimeen tehden atomeista erittäin epävakaita. Elektronien kvanttimekaanisesta aaltoluonteesta seuraa, että ydintä kiertävillä elektroneilla on matalin mahdollinen energiatila, jota alemmas ne eivät voi vajota, ja siten atomit pysyvät ylipäätään kasassa. Tämä korostaa sitä tosiasiaa, että kvanttimekaniikka ei ole mikään fyysikkojen teoreettinen päiväuni. Päinvastoin: maailmankaikkeuden järjenvastaisuus on kaiken olemassaolon perusta!
Täytyy myös mainita, koska jo edellä elektronimikroskooppikuvia ihastelimme, että tämä elektronien aaltoluonne mahdollistaa myös elektronimikroskopian, jossa objektien kuvantamiseen käytetään valon sijaan elektroneja. Suurienergisillä elektroneilla on näkyvää valoa noin sata tuhatta kertaa lyhyempi aallonpituus, joten elektronisäteilyn avulla voidaan kuvata huomattavasti pienempiä yksityiskohtia, parhaimmillaan aina puoleen ångströmiin asti. Toinen jännä kvanttimekaniikkaan perustuva kuvantamismenetelmä on tunnelointimikroskopia, jolla pystytään erottamaan jopa yksittäisiä atomeita, kuten tässä kuvassa näkyvät jännääkin jännemmän hiilinanoputken muodostavat hiiliatomit. Kykenemme siis jopa näkemään atomit, vaikkakin hieman epäsuorasti.
Atomin ydin on halkaisijaltaan noin sata tuhatta kertaa pienempi kuin itse atomi, yhden fermin. Elektronit ravaavat juoksuradalla cooperia, kierros toisensa jälkeen ympäri urheilukentän keskellä olevaa hiekanjyvää. Tämä johtaa meidät edelleen siihen hämmentävään tosiasiaan, että noin 99,999...9 (yhteensä 15 yhdeksikköä) prosenttia mistä tahansa aineesta on täysin tyhjää tilaa. Tämä tuskin lohduttaa minua kuitenkaan seuraavan kerran, kun liukastun banaaninkuoreen, ja huomaan jälleen kerran, että maa on kovaa. Maan, kuten muidenkin aineiden, kovuus johtuu siitä, että maanpinnassa olevien atomien elektronit hylkivät omien atomieni elektroneja, sillä molemmilla on samanmerkkiset sähkövaraukset, joten en pääse hujahtamaan maan läpi noin vain --- onneksi, sillä maapallon ytimessä on vähän liian kuuma omaan makuuni, noin 7000 astetta. Tämä esimerkki havainnollistaa myös hyvin eri vuorovaikutusten voimakkuuseroja: Vaikka painovoima vaikuttaa järeältä, kun mätkähdän maanpintaan, tai erityisesti kun yritän aamuisin nousta sängystä, niin ei tarvita kuin atomien elektroniverhot vastustamaan koko maapallon minuun kohdistamaa painovoimaa. Syy siihen, etteivät sähkömagneettiset voimat ole suuremmassa osassa jokapäiväisessä elämässämme (paitsi tietenkin sähkölaitteissa ja ovenkahvojen pelkotiloja herättävinä staattisina sähköshokkeina) on se, että kaikki materiaalit on kokonaissähkövaraukseltaan keskimäärin neutraaleja, joten ne eivät vaikuta toisiinsa sähkömagneetisesti pitkillä etäisyyksillä. (Toisaalta on hyvä huomata, että jokapäiväisestä leivästämme saamme molekyylien sähkömagneettisen energian muodossa kaiken kehomme käyttämän energian.) Sen sijaan kaikki massa kasvattaa painovoiman suuruutta (negatiivista massaa ei tiettävästi ole olemassa), joten vastaavaa neutraloitumista ei pääse tapahtumaan, ja tämän vuoksi gravitaatio, niin heikko kuin se onkin, dominoi suurilla etäisyyksillä.
Atomin ydin koostuu puolestaan tiukasti vahvan ydinvoiman sitomina yhteen pakatuista pienemmistä osasista, protoneista ja neutroneista. Ainoa ero eri aineiden atomien välillä on atomiytimien protonien lukumäärät, jotka heijastuvat atomin elektronikuorirakenteeseen, ja siten niistä koostuvan aineen kemiallisiin ominaisuuksiin. Elektronilla ei nykytiedon mukaan ole alirakennetta, vaan se ymmärretään pistemäiseksi alkeishiukkaseksi. Protonit ja neutronit sen sijaan koostuvat edelleen pienemmistä osasista, kolmesta kvarkista kumpainenkin, jotka ovat sidottuina toisiinsa "gluoni"-hiukkasten välittämän vahvan ydinvoiman vaikutuksesta. Tarkalleen ottaen protonit ja neutronit koostuvat "ylös"- ja "alas"-kvarkeista, jotka ovat kvarkkityyppejä. Kaikkiaan näitä kvarkkialalajeja on nykytietämyksen mukaan kuusi, joilla kaikilla on vähintäänkin hämmentävät nimet: "alas", "ylös", "outo", "lumo", "huippu", "pohja" (plus näistä jokaista vastaavat antihiukkaset). (Aiemmin "huippu"- ja "pohja"-kvarkkeja kutsuttiin nimillä "totuus" ja "kauneus", missä oli sentään jonkinlaista runollisuutta havaittavissa, mutta sekin mentiin sittemmin vesittämään!) Kvarkeista koostuvia hiukkasia kutsutaan hadroneiksi. Näitä hiukkasia on löydetty protonin ja neutronin lisäksi kokonainen liuta hiukkaskiihdyttimillä suoritetuissa korkeaenergisissä hiukkastörmäytyskokeissa, ja löydetään edelleen. Itseasiassa 1960-luvun alussa hadronitulva aiheutti suurta hämmennystä ja sekasortoa hiukkasfysiikan alalla, koska uusia hiukkasia ilmaantui kokeissa tiheimmillään viikoittain. Kukaan ei ymmärtänyt mistä kaikki nuo hiukkaset sikisivät, kunnes amerikkalaiset teoreettiset fyysikot Murray Gell-Mann ja George Zweig ehdottivat vuonna 1964 samanaikaisesti toisistaan riippumatta hiukkaspaljouden selittävää kvarkkimallia, jonka pohjalta säännönmukaisuudet hadronien ominaisuuksissa kyettiin ymmärtämään, ja edelleen ennustamaan seuraavat törmäytyskokeissa ilmaantuneet uudet hiukkaset. (Rivien välistä kannattaa lukea tärkeä opetus siitä, miten tiede toimii!) Nykytiedon mukaan kvarkeilla ei enää ole syvempää alirakennetta, vaan ne kuvataan nykyisissä teorioissa pistemäisinä alkeishiukkasina. (On tietenkin olemassa myös hypoteettisiä matemaattisia malleja, kuten säieteoria(t), jotka pyrkivät kuvaamaan alkeishiukkaset useampi ulotteisina objekteina, mutta tässä kirjoituksessa keskityn pääasiassa siihen, mitä todellisuudesta voidaan sanoa kohtuullisella varmuudella.) Elektronien ja kvarkkien, fotonien ja gluonien lisäksi nykyään tunnettuihin alkeishiukkasiin kuuluvat elektronin isosiskot, myoni ja tau, sekä neutriinot, jotka vuorovaikuttavat muiden hiukkasten kanssa ainoastaan heikon ydinvoiman välityksellä, ja tietenkin heikkoa ydinvoimaa välittävät "W- ja Z-bosonit" (plus kaikkien näiden hiukkasten antihiukkaset). Hiukkasten massan aiheuttavaa Higgsin bosonia yritetään saada haaviin Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERN:in LHC-hiukkaskiihdyttimen avulla seuraavan muutaman vuoden sisällä --- sen olemassaolosta ei siis ole vielä varmuutta, vaan se on teoreettinen ennuste. Näitä kaikkia mielikuvituksellisesti nimettyjä alkeishiukkasia ja niiden välisiä vuorovaikutuksia kuvaa vähemmän mielikuvituksellisesti nimetty hiukkasfysiikan Standardimalli, ja varsin erinomaisesti kuvaakin. Lyhyin etäisyys, jolla Standardimallin paikkansapitävyys ja ylipäätään mikään todellisuuden ominaisuus on kyetty nykyisellään todentamaan, on alle kymmenestuhannesosa atomiytimen halkaisijasta, sata tseptometriä (10^-19m), eikä vakavia viitteitä Standardimallin ennusteista poikkeamisista vielä näillä mittakaavoilla ilmaannu. Näin olemme siis viimein saapuneet nykytietämyksen äärirajoille.
Jo kohtaamamme tosiseikka, joka tekee lyhyempien etäisyyksien tutkimisen yhä vain työläämmäksi, on se, että kvanttimekaniikan mukaisesti hiukkasilla on aaltoluonne, ja kvanttihiukkasten aallonpituus on kääntäen verrannollinen niiden energiaan. Siispä, mitä lyhyempiä etäisyyksiä halutaan tutkia, mitä pienempiä yksityiskohtia erottaa, sitä suurempi liike-energia tulee hiukkasille antaa. Tietyn rajan jälkeen tämä ei ole enää lainkaan helppoa, kuten LHC:n 27 kilometrin halkaisijasta, 15 vuoden rakennusaikataulusta ja 7,5 miljardin euron budjetista voi päätellä.
Toisaalta tiedämme myös, ettei hiukkasfysiikan Standardimalli voi olla koko totuus, sillä se ei lainkaan ota huomioon painovoimaa. Kuten jo yllä totesimme, gravitaatio on säälittävä heikko rääpäle verrattuina muihin perusvuorovaikutuksiin, ja niinpä mikroskooppisilla mittakaavoilla sen voi yleensä unohtaa tyystin. Ainoastaan tilanteissa, joissa hyvin hyvin suuri määrä energiaa on keskittyneenä hyvin hyvin pieneen tilavuuteen, voi gravitaatiolla olla jotain merkitystä mikroskooppisissa systeemeissä. Yleensä sen mittakaavan, jossa gravitaatiovoimien täytyy alkaa olla merkittävässä roolissa, arvioidaan olevan niin kutsuttu Planckin pituus, noin 10^-35 metriä, joka on niin pieni luku, ettei sille ole edes virallista nimeä. Mutta jonkinlaisen hataran mielikuvan sen pienuudesta voi saada siitä, että jos ihmisen atomiytimet olisivat ihmisiä, ja jos näiden atomiydinihmisten atomiytimet olisivat vielä pienempiä ihmisiä, niin näiden atomiydinihmisten atomiydinihmisten atomit olisivat noin Planckin pituuden halkaisijaltaan. Ehkä selvempää on sanoa, että Planckin pituuden suhde atomiytimen halkaisijaan on suurin piirtein sama kuin yhden senttimetrin suhde näkyvän maailmankaikkeuden halkaisijaan... Vaan ehkä ei sittenkään. Olen tainnut jo menettää kaiken uskoni siihen, että olisi olemassa mitään tapaa ilmaista ja ymmärtää intuitiivisesti näitä mittakaavoja. Planckin pituuksilla gravitaation arvellaan olevan merkittävä tekijä, sillä tämän kokoisten yksityiskohtien mittaamiseksi tarvittaisiin niin suuri energiatiheys, että mittauskohteeseen syntyisi yleisen suhteellisuusteorian mukaisesti musta aukko: niin voimakas painovoimakenttä, ettei yhtään mikään kykenisi tältä alueelta karkaamaan, ja siten informaation poistumisen mittauskohteesta estyisi. Mittaus olisi näin ollen tuomittu epäonnistumaan, eikä Planckin pituuksilta voisi saada informaatiota edes teoriassa. Näyttää siis siltä, että vastaamme tulee vieläkin läpäisemättömämpi seinä matkatessamme maailmankaikkeuden pienimmille etäisyyksille, kuin minkä jo kohtasimme matkallamme maailmankaikkeuden suurimmille etäisyyksille. Toisaalta edellinen argumentti pohjautuu yleiseen suhteellisuusteoriaan, joka ei mitä luultavimmin pidä paikkaansa enää näillä hyvin hyvin pienillä mittakaavoilla. Selvää on vain se, että jotain dramaattista täytyy aika-avaruudelle tapahtua viimeistään täällä. Mitä se sitten voisi olla? Sitä kutsutaan nimellä "kvanttigravitaatio". Yritämme parhaillaan selvittää teoreettisin menetelmin mitä tuo sana itseasiassa voisi edes tarkoittaa, jos mitään, mutta olisi epärehellistä väittää, että suuren suurta selvyyttä siitä vielä vallitsisi. Maailmankaikkeuden käyttäytyminen näillä lyhyimmillä etäisyyksillä on toistaiseksi valtava todellisuuden alleen peittävä mysteeri, josta tulen kirjoittamaan lisää tulevaisuuden blogailuissani. Vaan ei vaivuta synkkyyteen: Sehän se vasta tylsää olisikin, jos tietäisimme jo kaiken!
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti