Miten aine pysyy koossa? Kvarkeista molekyyleihin – mitä nykyfysiikka selittää ja mitä sen selitykset fysikaalisesti tarkoittavat?
Aloitetaan aineen rakenteen tarkastelu pienimmästä päästä ja edetään askel askeleelta kohti molekyylejä. Tarkoituksena ei ole kiistää nykyfysiikan matemaattisia saavutuksia tai kokeellisia tuloksia. Tarkoituksena on tarkastella sitä, mitä ilmiöistä todella tiedetään ja mitä niiden selittämisessä käytetyt käsitteet tarkoittavat fysikaalisesti.
1. Kvarkit ja gluonit – miten kvarkit pysyvät yhdessä?
Nykyfysiikan mukaan protonit ja neutronit koostuvat kvarkeista, joiden välistä vahvaa vuorovaikutusta kuvaa kvanttikromodynamiikka eli QCD. Vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia kutsutaan gluoneiksi.
Gluoni ei ole nykyteoriassa pieni klassinen kuula, joka lentää kvarkista toiseen. Se on vahvan vuorovaikutuksen kvanttikentän kvantti. Kvarkkien ja gluonien vuorovaikutuksia kuvataan matemaattisesti kvanttikenttäteorian avulla. Kokeelliset tulokset tukevat tätä kuvausta erittäin vahvasti.
Mutta pysähdytään hetkeksi kysymään, mitä tässä kuvauksessa tapahtuu fysikaalisesti.
Mitä gluonin välittämä vuorovaikutus tarkoittaa konkreettisesti? Miten kvarkkien välinen vuorovaikutus saa aikaan sen, että ne pysyvät yhdessä muodostamatta tavallisissa olosuhteissa erillisinä havaittavia hiukkasia?
Jos kuvittelemme gluonin lentävän kvarkista toiseen ja törmäävän siihen, syntyy heti uusi kysymys. Jos törmäys siirtää toiselle kvarkille liikemäärää, se voi myös muuttaa sen liikettä ja työntää sitä poispäin. Pelkkä törmäyksen mielikuva ei siis vielä selitä, miten kvarkit pysyvät yhdessä.
Tässä on kuitenkin huomattava, ettei nykyfysiikan varsinainen selitys perustu tällaiseen yksinkertaiseen törmäyskuvaan. QCD kuvaa kvarkkien ja gluonien muodostaman kvanttikentän dynamiikkaa. Kvarkkien välinen vuorovaikutus ei ole sama asia kuin kahden pienen kappaleen törmäys.
Kriittinen kysymys kuuluu sen sijaan näin: miten matemaattisesti kuvattu kvanttikentän vuorovaikutus liittyy konkreettiseen fysikaaliseen tapahtumaketjuun, jonka seurauksena kvarkit muodostavat vakaita protoneja ja neutroneja?
Nykyfysiikka pystyy laskemaan monia tämän vuorovaikutuksen seurauksia ja vertaamaan niitä kokeisiin. Se ei kuitenkaan tarkoita, että gluonien käyttäytymistä voisi ymmärtää kirjaimellisena pienhiukkasten lentelynä ja törmäilynä.
.
2. Miksi yksittäistä kvarkkia ei saada irrotettua protonista?
Nykyfysiikan mukaan kvarkkien välinen vuorovaikutus poikkeaa olennaisesti esimerkiksi sähkövarauksellisten kappaleiden välisestä sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta.
Kun kvarkkeja yritetään erottaa toisistaan, niiden väliseen kenttään liittyvä energia kasvaa. Riittävän suurella energialla järjestelmään voi syntyä uusia kvarkki–antikvarkkipareja sen sijaan, että alkuperäinen kvarkki saataisiin erilleen vapaana hiukkasena. Tätä ilmiötä kutsutaan kvarkkien sulkeutumiseksi eli konfinementiksi.
Tämä ei ole pelkkä arvailu: ilmiötä tukevat hiukkaskokeet ja QCD:n laskelmat.
Silti on tärkeää erottaa kaksi kysymystä toisistaan.
Ensimmäinen on se, miten kvarkkien sulkeutuminen näkyy kokeissa ja miten sitä kuvataan matemaattisesti.
Toinen on se, miten kvarkkien ja gluonien muodostaman järjestelmän fysikaalinen dynamiikka tuottaa juuri sellaisen käyttäytymisen, jossa yksittäiset kvarkit eivät vapaudu tavallisissa olosuhteissa.
Ensimmäiseen kysymykseen nykyfysiikalla on vahva teoreettinen ja kokeellinen vastaus. Toisen ymmärtäminen edellyttää kvanttikenttäteorian matemaattisen kuvauksen syvällistä ymmärtämistä. Se ei ratkea sillä, että gluonia kutsutaan voiman välittäjähiukkaseksi.
.
3. Protonit ja neutronit – miten ne pysyvät yhdessä atomiytimessä?
Seuraavaksi siirrytään kvarkeista protoneihin ja neutroneihin.
Protoni sisältää kaksi up-kvarkkia ja yhden down-kvarkin. Neutroni sisältää kaksi down-kvarkkia ja yhden up-kvarkin.
Mutta atomiytimen rakenne tuo esiin uuden kysymyksen. Miten protonit ja neutronit pysyvät yhdessä, vaikka protonit ovat sähköisesti positiivisia ja niiden välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus pyrkii erottamaan niitä toisistaan?
Nykyfysiikan mukaan tässä vaikuttaa jäännösvoimakas vuorovaikutus eli nukleonien välinen jäännösvoima. Se liittyy pohjimmiltaan kvarkkien ja gluonien väliseen vahvaan vuorovaikutukseen. Sen vaikutuksia kuvataan myös esimerkiksi pionien vaihtoon perustuvilla malleilla.
Tämä ei tarkoita, että protonien ja neutronien välillä lentelisi välttämättä pieniä pioneja samalla tavalla kuin pallot lentävät ihmiseltä toiselle. Pionien vaihto on kvanttifysikaalinen kuvaus nukleonien välisestä vuorovaikutuksesta.
Atomiytimen pysyvyys ei myöskään perustu pelkästään yksinkertaiseen vetävään voimaan. Nukleonien välisen vuorovaikutuksen ominaisuudet vaihtelevat niiden etäisyyden ja kvanttitilan mukaan. Lyhyillä etäisyyksillä vuorovaikutukseen liittyy voimakas hylkivä vaikutus.
Näin nykyfysiikka pystyy kuvaamaan, millaisissa olosuhteissa atomiydin pysyy koossa.
Mutta mitä fysikaalisesti tapahtuu nukle
Aloitetaan aineen rakenteen tarkastelu pienimmästä päästä ja edetään askel askeleelta kohti molekyylejä. Tarkoituksena ei ole kiistää nykyfysiikan matemaattisia saavutuksia tai kokeellisia tuloksia. Tarkoituksena on tarkastella sitä, mitä ilmiöistä todella tiedetään ja mitä niiden selittämisessä käytetyt käsitteet tarkoittavat fysikaalisesti.
1. Kvarkit ja gluonit – miten kvarkit pysyvät yhdessä?
Nykyfysiikan mukaan protonit ja neutronit koostuvat kvarkeista, joiden välistä vahvaa vuorovaikutusta kuvaa kvanttikromodynamiikka eli QCD. Vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia kutsutaan gluoneiksi.
Gluoni ei ole nykyteoriassa pieni klassinen kuula, joka lentää kvarkista toiseen. Se on vahvan vuorovaikutuksen kvanttikentän kvantti. Kvarkkien ja gluonien vuorovaikutuksia kuvataan matemaattisesti kvanttikenttäteorian avulla. Kokeelliset tulokset tukevat tätä kuvausta erittäin vahvasti.
Mutta pysähdytään hetkeksi kysymään, mitä tässä kuvauksessa tapahtuu fysikaalisesti.
Mitä gluonin välittämä vuorovaikutus tarkoittaa konkreettisesti? Miten kvarkkien välinen vuorovaikutus saa aikaan sen, että ne pysyvät yhdessä muodostamatta tavallisissa olosuhteissa erillisinä havaittavia hiukkasia?
Jos kuvittelemme gluonin lentävän kvarkista toiseen ja törmäävän siihen, syntyy heti uusi kysymys. Jos törmäys siirtää toiselle kvarkille liikemäärää, se voi myös muuttaa sen liikettä ja työntää sitä poispäin. Pelkkä törmäyksen mielikuva ei siis vielä selitä, miten kvarkit pysyvät yhdessä.
Tässä on kuitenkin huomattava, ettei nykyfysiikan varsinainen selitys perustu tällaiseen yksinkertaiseen törmäyskuvaan. QCD kuvaa kvarkkien ja gluonien muodostaman kvanttikentän dynamiikkaa. Kvarkkien välinen vuorovaikutus ei ole sama asia kuin kahden pienen kappaleen törmäys.
Kriittinen kysymys kuuluu sen sijaan näin: miten matemaattisesti kuvattu kvanttikentän vuorovaikutus liittyy konkreettiseen fysikaaliseen tapahtumaketjuun, jonka seurauksena kvarkit muodostavat vakaita protoneja ja neutroneja?
Nykyfysiikka pystyy laskemaan monia tämän vuorovaikutuksen seurauksia ja vertaamaan niitä kokeisiin. Se ei kuitenkaan tarkoita, että gluonien käyttäytymistä voisi ymmärtää kirjaimellisena pienhiukkasten lentelynä ja törmäilynä.
.
2. Miksi yksittäistä kvarkkia ei saada irrotettua protonista?
Nykyfysiikan mukaan kvarkkien välinen vuorovaikutus poikkeaa olennaisesti esimerkiksi sähkövarauksellisten kappaleiden välisestä sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta.
Kun kvarkkeja yritetään erottaa toisistaan, niiden väliseen kenttään liittyvä energia kasvaa. Riittävän suurella energialla järjestelmään voi syntyä uusia kvarkki–antikvarkkipareja sen sijaan, että alkuperäinen kvarkki saataisiin erilleen vapaana hiukkasena. Tätä ilmiötä kutsutaan kvarkkien sulkeutumiseksi eli konfinementiksi.
Tämä ei ole pelkkä arvailu: ilmiötä tukevat hiukkaskokeet ja QCD:n laskelmat.
Silti on tärkeää erottaa kaksi kysymystä toisistaan.
Ensimmäinen on se, miten kvarkkien sulkeutuminen näkyy kokeissa ja miten sitä kuvataan matemaattisesti.
Toinen on se, miten kvarkkien ja gluonien muodostaman järjestelmän fysikaalinen dynamiikka tuottaa juuri sellaisen käyttäytymisen, jossa yksittäiset kvarkit eivät vapaudu tavallisissa olosuhteissa.
Ensimmäiseen kysymykseen nykyfysiikalla on vahva teoreettinen ja kokeellinen vastaus. Toisen ymmärtäminen edellyttää kvanttikenttäteorian matemaattisen kuvauksen syvällistä ymmärtämistä. Se ei ratkea sillä, että gluonia kutsutaan voiman välittäjähiukkaseksi.
.
3. Protonit ja neutronit – miten ne pysyvät yhdessä atomiytimessä?
Seuraavaksi siirrytään kvarkeista protoneihin ja neutroneihin.
Protoni sisältää kaksi up-kvarkkia ja yhden down-kvarkin. Neutroni sisältää kaksi down-kvarkkia ja yhden up-kvarkin.
Mutta atomiytimen rakenne tuo esiin uuden kysymyksen. Miten protonit ja neutronit pysyvät yhdessä, vaikka protonit ovat sähköisesti positiivisia ja niiden välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus pyrkii erottamaan niitä toisistaan?
Nykyfysiikan mukaan tässä vaikuttaa jäännösvoimakas vuorovaikutus eli nukleonien välinen jäännösvoima. Se liittyy pohjimmiltaan kvarkkien ja gluonien väliseen vahvaan vuorovaikutukseen. Sen vaikutuksia kuvataan myös esimerkiksi pionien vaihtoon perustuvilla malleilla.
Tämä ei tarkoita, että protonien ja neutronien välillä lentelisi välttämättä pieniä pioneja samalla tavalla kuin pallot lentävät ihmiseltä toiselle. Pionien vaihto on kvanttifysikaalinen kuvaus nukleonien välisestä vuorovaikutuksesta.
Atomiytimen pysyvyys ei myöskään perustu pelkästään yksinkertaiseen vetävään voimaan. Nukleonien välisen vuorovaikutuksen ominaisuudet vaihtelevat niiden etäisyyden ja kvanttitilan mukaan. Lyhyillä etäisyyksillä vuorovaikutukseen liittyy voimakas hylkivä vaikutus.
Näin nykyfysiikka pystyy kuvaamaan, millaisissa olosuhteissa atomiydin pysyy koossa.
Mutta mitä fysikaalisesti tapahtuu nukle
Vastaukset 8
Vanhimmat
Mutta mitä fysikaalisesti tapahtuu nukleonien välisessä vuorovaikutuksessa, kun järjestelmä asettuu vakaaseen tilaan? Mitä vuorovaikutuksen matemaattiset kentät, energiat ja kvanttitilat tarkoittavat aineen konkreettisen rakenteen kannalta?
Tässäkään ei pidä sekoittaa keskenään sitä, että teoria pystyy kuvaamaan ytimen pysyvyyttä, ja sitä, että jokainen mahdollinen kysymys aineen perimmäisestä olemuksesta olisi ratkaistu.
. **4. Atomiydin ja elektronit – miten atomi muodostuu?**
Kun siirrytään atomiytimestä atomiin, vastaan tulee sähkömagneettinen vuorovaikutus.
Atomiydin sisältää positiivista sähkövarausta. Elektronilla on negatiivinen sähkövaraus. Nykyfysiikan mukaan niiden välistä vuorovaikutusta kuvaa kvanttielektrodynamiikka eli QED, joka on sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kvanttiteoria.
Elektronia ei kuitenkaan pidä kuvitella pieneksi planeetaksi, joka kiertää ydintä täsmälleen samalla tavalla kuin Maa kiertää Aurinkoa.
Atomin elektronit kuvataan kvanttitiloina, joihin liittyy tiettyjä energioita ja todennäköisyysjakaumia. Näiden avulla voidaan ennustaa muun muassa atomien spektriviivoja ja monia kemiallisia ominaisuuksia.
Tämä on merkittävä saavutus. Kvanttifysiikka antaa erittäin tarkkoja ennusteita elektronien ja sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutuksista.
Silti kannattaa kysyä, mitä elektronin kvanttitila fysikaalisesti tarkoittaa. Onko matemaattinen aaltofunktio aineen konkreettinen rakenne, todennäköisyyksiä kuvaava suure vai jotakin muuta? Tähän liittyy kvanttimekaniikan tulkintoja koskeva keskustelu.
Tässä kohdassa on oltava täsmällinen: elektronien käyttäytymistä ei tunneta vain ulkoapäin, vaan sitä kuvaava teoria on kokeellisesti erittäin hyvin testattu. Sen tulkinnasta ja todellisuuden perimmäisestä luonteesta esitetään silti erilaisia näkemyksiä.
. **5. Atomit – miten niistä syntyy erilaisia aineita?**
Seuraavaksi tulevat atomit, joiden ytimissä on protoneja ja tavallisesti myös neutroneja ja joiden ympärillä on elektroneja.
Alkuaine määräytyy protonien lukumäärän perusteella. Neutronien määrä vaikuttaa muun muassa ytimen vakauteen, ja elektronien järjestäytyminen vaikuttaa atomin kemiallisiin ominaisuuksiin.
Nykyfysiikka ja kemia pystyvät ennustamaan erittäin tarkasti monia atomien ominaisuuksia, kuten energiatiloja, spektriviivoja, ionisaatioenergioita ja kemiallisia reaktioita.
Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että atomi olisi vain kokoelma pieniä kiinteitä osia, jotka pysyvät paikoillaan jonkin yksinkertaisen mekaanisen sidoksen avulla. Atomia kuvataan kvanttimekaanisena järjestelmänä, jossa hiukkasten vuorovaikutukset ja mahdolliset tilat määräävät havaittavat ominaisuudet.
On siis erotettava toisistaan atomien rakenteen matemaattinen kuvaus ja se, millainen ontologinen tulkinta kuvaa parhaiten sitä, mitä aine pohjimmiltaan on.
. **6. Molekyylit – miten atomit muodostavat sidoksia?**
Kun atomit liittyvät toisiinsa, syntyy molekyylejä. Vesi on tuttu esimerkki: yksi vesimolekyyli sisältää kaksi vetyatomia ja yhden happiatomin.
Nykykemia selittää kemialliset sidokset pääasiassa elektronien ja atomiytimien sähkömagneettisten vuorovaikutusten sekä elektronien kvanttitilojen avulla.
Kovalenttisessa sidoksessa elektronien kvanttitilat jakautuvat atomien muodostaman järjestelmän kesken. Ionisessa sidoksessa sähköisesti erimerkkiset ionit vuorovaikuttavat keskenään. Todelliset sidokset voivat sisältää näiden piirteitä eri suhteissa.
Molekyylien ominaisuudet eivät siis synny siitä, että atomit vain osuvat toisiinsa ja jäävät kiinni. Sidosten muodostumiseen liittyy koko kvanttijärjestelmän energian ja tilojen muuttuminen.
Tällä kuvauksella voidaan ennustaa molekyylien rakenteita, sidosenergioita, reaktiivisuutta ja monia muita ominaisuuksia.
Mutta kun sanomme, että elektronien kvanttitilat ja sähkömagneettinen vuorovaikutus selittävät sidoksen, olemme käyttäneet jo useita teoreettisia käsitteitä. Niiden matemaattinen toimivuus on yksi asia. Kysymys siitä, mitä nämä käsitteet tarkoittavat todellisuuden perimmäisen fysikaalisen olemuksen kannalta, on toinen.
. **7. Yhteenveto – missä kulkee selityksen raja?**
Kun etenemme kvarkeista gluoneihin, protoneihin, neutroneihin, atomiytimiin, elektroneihin, atomeihin ja molekyyleihin, nykyfysiikka ja kemia tarjoavat valtavan määrän kokeellisesti testattua tietoa ja matemaattisesti tarkkoja kuvauksia.
Niiden saavutuksia ei tarvitse vähätellä, jotta voidaan esittää perusteltuja kysymyksiä niiden selitysten luonteesta.
On kuitenkin tärkeää, ettei kaikkea niputeta yhteen. Kvarkkien sulkeutuminen, atomiytimen vakaus, elektronien kvanttitilat ja molekyylien kemialliset sidokset ovat eri ilmiöitä, joita kuvataan osittain eri teorioilla. Yhden teorian avoin tulkintakysymys ei osoita, että kaikki muutkin selitykset olisivat puutteellisia.
Minusta tieteen opetuksen pitäisi tehdä tämä ero näkyväksi: mitä olemme havainneet, mitä pystymme matemaattisesti kuvaamaan, mitä pystymme ennustamaan, minkä mekanismin olem
Minusta tieteen opetuksen pitäisi tehdä tämä ero näkyväksi: mitä olemme havainneet, mitä pystymme matemaattisesti kuvaamaan, mitä pystymme ennustamaan, minkä mekanismin olemme osoittaneet kokeellisesti ja mitä emme vielä tiedä aineen perimmäisestä fysikaalisesta olemuksesta.
Juuri tähän kohtaan sijoittuu myös oma näkemykseni, Savorisen teoria eli SUSFT. Se lähtee erilaisesta oletuksesta aineen perustasta ja pyrkii kuvaamaan aineen rakenteita jatkuvasti laajenevan, avaruuteen hajaantuvan energian dynamiikan avulla.
Tämä on vaihtoehtoinen hypoteesi, ei nykyfysiikan vahvistama tulos. Sen uskottavuus edellyttää täsmällisiä matemaattisia seurauksia ja kokeellisia ennusteita, joilla se voidaan erottaa nykyisistä teorioista.
Minusta tieteen vahvuus ei ole siinä, että kaikki kysymykset julistetaan ratkaistuiksi. Sen vahvuus on siinä, että pystymme erottamaan toisistaan sen, minkä tiedämme, sen, minkä osaamme laskea, ja sen, mitä yritämme vielä ymmärtää.
Savorinen Jukka Petteri,
The Dude, The One, The Man Who Figured Out How Universe Really Works 😃
Onpa lapsellista jonninjoutavaa höpinää.
Olemme simulaatio jota ohjaa tietokone koodi eikä fysiikan lait. Fysiikka pyrkii kuvaamaan sitä mitä aistein havaitsemme mutta ei voi milloinkaan murtaa koodia. Koodi ei perustu loogiseen jatkumoon tai ketjuun vaan se perustuu pelkästään pyrkimykseen tuottaa aisteille virikkeet. Maailma jossa elämme ei ole looginen jatkumo vaan aisteja stimuloiva harha.
Richard Feynman: "Kvanttimaailman ilmiöitä ei voi arkijärjellä käsittää".
Kvanttimaailma on tilastollista. Absoluuttisia arvoja ei ole olemassa.
Totuus on liikaa kaikille fyysikoille ja kosmologgeille 🤣
.
Ei se ole avaruus mikä laajenee 🤣
.
Kaikki havaittava koostuu koko ajan räjähtävää energiaa kierrättävistä koko ajan räjähtävän energian ruuhka-alueista jotka kierrättäessään keskenään tätä koko ajan räjähtävää työntävää voimaa, työntävät toisiansa pois päin toisistansa samassa suhteessa kuin laajenevat!
.
Too much for you all 🤣
.
🤣
Muistaakseni Esko Valtaoja tapaa huomauttaa ihmisen ymmärryksen rajallisuudesta.
Ehkä ihmisenä olemisen mielekkyys on siinä, ettei kaikkea ja olemisen perustaa voi ymmärtää. Kiinnostus pysyy, kun on ihmeteltävää ja hämmästeltävää.