Tieteen maailmankuvan kehitys


Tieteellisen tutkimuksen alkuna voidaan pitää taivaankappaleiden liikkeiden havainnointia, jota jo varhain on harjoitettu eri puolilla maailmaa. Tarkkailua ei vielä tuolloin suoritettu tieteellisestä kiinnostuksesta, vaan lähinnä uskonnollisista syistä ja jotta olisi voitu ennustaa tulevia tapahtumia kuten auringon- ja kuunpimennyksiä tai sadekauden alkamista.



Antiikin aika.

Antiikin Kreikassa alettiin havainnoida ympäristöämme myös tiedollisen uteliaisuuden pohjalta. Jo vuonna 340 eKr. kreikkalainen filosofi Aristoteles todisteli että Maa on pallon muotoinen. Hän perusteli näkemystään kahdella havainnolla: Ensiksi hän päätteli että kuunpimennys syntyy silloin, kun Maa on Kuun ja ja Auringon välissä ja Maan varjo osuu Kuun pinnalle. Koska Maan varjo Kuun pinnalla näkyy aina ympyrän kaarena, hän ajatteli että Maan täytyy olla pallomainen. Jos Maa olisi litteä, varjon muoto vaihtelisi. Toisena todisteena Maan pallomaisuudesta hänellä oli se, että Pohjantähti laskeutui sitä alemmas kohti taivaanrantaa, mitä kauemmas etelään kuljettiin. Lisäksi kreikkalaiset olivat tietysti huomanneet myös sen, että lähestyvistä laivoista näkyivät ensinnä vain purjeet. Tämänkin ilmiön paras selitys oli Maan pallomaisuus. Samoin oli pantu merkille, että katsoipa mistä maan kolkasta tahansa, horisontti oli aina ympyrän muotoinen.

Aristoteles sai laskuissaan maapallon ympärysmitaksi 400 000 stadionia. Stadionin arvellaan vastaavan n. 180 metriä, joten hänen laskelmansa antoi Maan ympärysmitaksi noin kaksi kertaa sen todellisen ympärysmitan. Tulos oli kuitenkin erinomainen huomioon ottaen sen aikaiset menetelmät. Eräs toinen kreikkalainen, Erastothenes, sai tulokseksi jo kutakuinkin oikean luvun. Aristoteles uskoi silti Maan pysyvän paikallaan, kuten myös Ptolemaios, joka 100-luvulla kehitti aristotelisen käsityksen pohjalta täydellisen kosmologisen mallin maailmankaikkeudesta. Mallissa Maa oli keskellä ja sitä ympäröi kahdeksan kehää joilla sijaitsivat Maasta ulospäin laskien Kuu, Merkurius, Venus, Aurinko, Mars, Jupiter, Saturnus ja kiintotähdet (planeettoja tunnettiin vain viisi).

Tämä malli pysyi voimassa vuosisatoja, suurelta osin siksi, että kirkkokin oli sen hyväksynyt. Ptolemaioksen mallissa kaikkeuden reuna oli kiintotähtien kehällä. Mitä oli sen takana, sitä ei juurikaan pohdittu. Monet sijoittivat sinne taivaalliset maailmat. Se yleinen uskomus, että keskiajalla Maan luultiin olevan pannukakku, on ilmeisesti yksi monista keskiaikaa koskevista harhakäsityksistä. Eivät sen ajan löytöretkeilijät maailman meriä purjehtiessaan pelänneet putoavansa jossakin maan reunan yli. Antiikin kreikkalaiset tiesivät Maata koskevien laskelmiensa perusteella jopa päivän pituudet eri vuodenaikoina eri leveysasteilla.

Keskiaika.

Vuonna 1514 puolalainen pappi Nikolaus Kopernikus esitti teorian, jonka mukaan Aurinko oli liikkumaton keskus, jonka ympäri Maa ja planeetat kiersivät ympyrän muotoisilla radoilla. Siihen ei kuitenkaan lähes sataan vuoteen suhtauduttu vakavasti. Vasta kun italialainen Galileo Galilei vuonna 1609 löysi vastakeksityllä kaukoputkella Jupiterin neljä suurinta kuuta, varmistui se, etteivät ainakaan kaikki taivaankappaleet kiertäneet Maata. Kun vielä saksalainen Johannes Kepler samoihin aikoihin paransi Kopernikuksen mallia ehdottamalla, että taivaankappaleet kiertäisivätkin ellipsin eikä ympyrän muotoista rataa, havainnot alkoivat sopia yhteen teorian kanssa.

Keplerin ellipsiradat perustuivat vain oletukseen, koska hän oli sattumalta huomannut, että ne sopivat paremmin havaintoihin. Hän itse piti niitä huonona ratkaisuna koska ne eivät sopineet hänen teoriaansa, jonka mukaan magneettiset voimat pitivät planeetat radallaan. Kopernikuksen mallissa ei enää tarvittu Ptolemaioksen taivaankehiä eikä maailmankaikkeuden ulointa reunaa. Koska kiintotähdet näyttivät pysyvän paikallaan, niiden pääteltiin olevan hyvin kaukana olevia Auringon kaltaisia kohteita. Itse avaruus käsitettiin erilliseksi ominaisuudeksi, joka oli olemassa ja jatkui loputtomiin riippumatta siitä oliko siinä tähtiä vai ei.

Uudempi aika.

Ellipsiradat saivat selityksensä vasta v. 1687, kun Isaac Newton julkaisi teoksensa Plilosophiae Naturalis Principia Mathematica. Siinä esitetyn yleisen painovoimateorian mukaan kaikki kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla joka on suoraan verrannollinen kappaleiden massaan ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Tämän teorian mukaan taivaankappaleiden kiertoradoista tulee väistämättä ellipsejä. Newton oivalsi, että jos tähtiä olisi äärellinen määrä, kaikkeudella olisi jokin keskipiste jota kohti painovoima niitä vetäisi, eikä tähtien siten pitäisi pysyä paikallaan, vaan syöksyä yhteen. Siksi hän päätyi siihen, että tähtiä täytyy olla ääretön määrä, jolloin niillä ei olisi mitään keskusta mitä kohti pudota. Tämä ei kuitenkaan poistanut ongelmaa, sillä äärettömässä avaruudessa voidaan mitä tahansa pistettä pitää keskuksena, koska jokaista pistettä ympäröi ääretön määrä tähtiä.

Tähän mennessä kukaan ei ollut tullut ehdottaneeksi laajenevaa tai supistuvaa maailmankaikkeutta. Maailmankaikkeus ajateltiin ikuiseksi ja muuttumattomaksi. Siksi Newtonin painovoimateoriaakin yritettiin korjailla lisäämällä siihen - hyvin suurilla etäisyyksillä vaikuttava - poistovoima jonka vaikutuksesta maailmankaikkeus pysyisi vakaana. Jotta tällainen poistovoima toimisi teorian edellyttämällä tavalla, maailmankaikkeuden olisi oltava joka kohdassa jatkuvasti tarkassa tasapainossa, sillä pienikin paikallinen häiriö saisi aikaan ketjureaktion, joka vaikuttaisi koko kaikkeuteen. Tällainen tasapainotila olisi kuitenkin äärettömän epätodennäköinen.

Oli toinenkin, staattista ja ääretöntä maailmankaikkeutta vastaan puhuva seikka, ns. Olbersin paradoksi. Jos maailmankaikkeus on ääretön ja muuttumaton, joka suunnassa on jokin tähti. Tästä olisi seurauksena, että koko taivas loistaisi kuin Aurinko. Tämän, jo Newtonin aikana havaitun paradoksin Olbers selitti 1823 siten, että kaukaisten tähtien valo on matkalla osaksi imeytynyt johonkin väliaineeseen. Tämä oletus kuitenkin kaatui siihen, että tällainen väliaine lopulta kuumenisi niin, että se hehkuisi yhtä kirkaana kuin tähden pinta. Ainoa selitys oli siten olettaa, että tähdet eivät olleetkaan hehkuneet ikuisesti vaan alkaneet loistaa vasta tiettynä hetkenä.

Alku ja luominen.

Antiikin ajattelijat - Aristoteles mukaan lukien - olivat vierastaneet luomisajatusta. He olivat tosin havainneet ihmiskunnan kehittymisen viittaavan siihen, että kaikki oli joskus alkanut alusta, mutta uskoivat ihmiskunnan aina välillä taantuneen tai kohdanneen katastrofeja ja sitten aloittaneen uuden kehittymisen. Kristilliset ajattelijat luonnollisesti näkivät toisin. Kirkkoisä Augustinus esitti ajatuksen, että koska ihmiskunta ja sen kulttuuri kehittyy jatkuvasti, ei maailmankaikkeuskaan voi olla ikuinen, vaan sillä on ollut alku, luominen. Filosofi Immanuel Kant esitti teesin ja antiteesin maailmankaikkeuden alkuhetkestä. Teesin mukaan ikuisessa maailmankaikkeudessa jokaista hetkeä edeltäisi äärettömän pitkä aika, mikä tuntuu mielettömältä, koska näin ei olisi milloinkaan päästy nykyhetkeen. Antiteesin mukaan taas, jos maailmankaikkeus olisi saanut alkunsa tiettynä hetkenä, tuota hetkeä olisi kuitenkin edeltänyt ikuinen aika, eikä olisi perusteita sanoa, että juuri tuo hetki oli alkuhetki eikä jokin toinen hetki.
  Nämä Kantin väittämät perustuivat kuitenkin oletukseen, että aika ulottui äärettömän kauas menneisyyteen riippumatta siitä, oliko maailmankaikkeutta olemassa vai ei. Augustinuksen vastaus tähän ongelmaan oli: aika on Jumalan luoman maailmankaikkeuden ominaisuus, joka luotiin samalla kuin koko maailma. Aikaa on vain maailmassa. Kun sitten Edwin Hubble 1929 havaitsi maailmankaikkeuden laajenemisen, muuttui kysymys kaiken alusta teologisten ja metafyysisten pohdiskelujen ohella myös luonnontieteen ongelmaksi.

Laajentuva kaikkeus.

Maailmankaikkeuden laajeneminen viittasi siihen, että maailmankaikkeus oli joskus ollut äärettömän pieni ja alkanut sitten laajeta ns. alkuräjähdyksen seurauksena. Alkuräjähdyksen hetkellä ei nykyisten teorioiden mukaan ollut olemassa luonnonlakeja eikä niin muodoin mahdollisuutta ennustaa, mitä räjähdyksestä seuraisi. Myöskään alkuräjähdystä mahdollisesti edeltäneistä tapahtumista ei voinut jäädä mitään havaittavia seurauksia, koska kaikki luonnonlait ovat syntyneet vasta alkuräjähdyksen jälkeen.

Kuten mm. Stephen Hawking on todennut, tieteellinen teoria on aina omien aivojemme tuote, eikä sellaisenaan todista mitään todellisuudesta. Teoria on hyvä, jos se kohtuullisen harvoista perusoletuksista lähtien pystyy kuvaamaan tarkasti suuren joukon havaintoja ja toiseksi ennustamaan tarkasti millaisia tuloksia tietyissä mittauksissa saadaan. Teoria on aina myös pelkkä oletus, jota ei voi todistaa oikeaksi. Yksi ainoa havainto voi osoittaa teorian kelvottomaksi. Se pysyy hengissä niin kauan kuin jokainen uusi koe pitää sen kanssa yhtä, mutta jos yksikin havainto on ristiriidassa teorian antaman ennusteen kanssa, teoria on joko hylättävä tai sitä on korjattava. Toisaalta tieteellisen teorian yksi perusvaatimuksista on , että se on - paitsi verifioitavissa - myös falsifioitavissa, eli periaatteessa pystyttävä osoittamaan vääräksi. Tämä edellyttää teorialta riittävästi testattavia yksityiskohtia.

Galilei totesi, että kappaleet putoavat samalla nopeudella riippumatta niiden painosta. Näitä havaintoja Newton käytti hyväkseen liikelakeja laatiessaan. Kun Aristoteleen mukaan kappaleeseen vaikuttava voima pitää sen liikkeessä, Newtonin mukaan kappale jatkaa suoraviivaisesti liikettään vakionopeudella, ellei mikään voima muuta sen nopeutta. Newtonin liikelait sisältävät myös ajatuksen, ettei ole olemassa ainuttakaan pistettä jonka voitaisiin katsoa olevan levossa. Kaikki liike on siis suhteellista.

Aristoteleen tavoin Newtonkin uskoi ajan absoluuttisuuteen. Kuitenkin jo v. 1676 eli 11 vuotta ennen Newtonin Principia- teoksen julkaisemista tanskalainen Ole Römer laski Jupiterin kuiden liikkeissä havaitun myöhästymisen perusteella valolle äärellisen nopeuden, 224 000 km/sek. Myöhemmin nopeus on tarkennettu n. 300 000 km/s. 1865 engl. fyysikko James Clerk Maxwell esitti teorian, jonka mukaan valo liikkuu tietyllä vakionopeudella. Sen havaittu nopeus riippuisi havaitsijan omasta liikenopeudesta ja suunnasta. Pohdittaessa sitä, minkä suhteen valon 'oma' nopeus tulisi mitata, päädyttiin ajatukseen, että kaikkialla - myös tyhjässä avaruudessa - on "eetteriä", jossa valoaallot etenevät ääniaaltojen tapaan. Vuonna 1887 amer. fyysikot Michelson ja Morley mittasivat valon nopeuden sekä maapallon liikesuunnassa että kohtisuoraan sitä vastaan ja saivat hämmästyksekseen aivan saman tuloksen. Tämän kokeen tulosta yritettiin lähes 30 vuotta selittää eri tavoin, kunnes Albert Einstein 1905 osoitti suhteellisuusteoriassaan, ettei koko eetteriä tarvita lainkaan, jos luovutaan ajan absoluuttisuudesta.

Suhteellisuusteoria.

Suhteellisuusteorian mukaan valon nopeus on kaikille sama riippumatta havaitsijan omasta nopeudesta tai liikesuunnasta. Mikään ei voi liikkua valoa nopeammin ja toisaalta jokainen havaitsija mittaa vain omaa aikaansa. Havaitsijoiden kellot eivät siis välttämättä käy samaan tahtiin. Vuonna 1915 Einstein esitti teoriastaan uuden version, Yleisen suhteellisuusteorian. Sen mullistava ajatus oli, että painovoima ei olekaan samanlainen kuin muut voimat, vaan johtuu aika-avaruuden kaareutumisesta. Taivaankappaleet eivät sen mukaan pysyisi radoillaan painovoiman takia vaan siksi että ne noudattavat reittiä, joka kaarevassa aika-avaruudessa on suora viiva, eli ns. geodeettinen viiva (kuten esim. päiväntasaaja).

Suhteellisuusteorian mukaista käyristynyttä ja reunatonta avaruutta yleensä havainnollistetaan pallon pinnalla. Vertaus on sikäli huono, että avaruus on kolmiulotteinen, ja kolmiulotteisen pallopinnan kuvitteleminen ei ihmiseltä onnistu. Maallikon mielikuva tällaisesta avaruudesta, jossa jokainen "äärettömän" pitkä "suora" linja käyristyy lopulta ympyrän kehäksi kuten pallon pintaan piirretty viiva, muistuttaa lähinnä lankakerää. Kaiken lisäksi hyvin sotkuista kerää, koska kuviteltavissa olevia linjoja on ääretön määrä ja kaikkeuden eri suuruiset massakeskittymät käyristäisivät avaruutta eri paikoissa hieman eri tavoin. Suhteellisuusteorian mukaan avaruuden käyristyminen on sitä suurempi, mitä suurempaa massaa se sivuaa. Matemaatikot korjatkoot, jos mielikuvani on väärä.

Determinismi ja epätarkkuusperiaate.

Tieteen menestys sai ranskalaisen Pierre Simon de Laplacen 1800-luvun alussa väittämään, että maailmankaikkeus oli täysin ennalta määrätty, deterministinen. Jos tuntisimme kaikki vaikuttavat luonnonlait ja maailmankaikkeuden tarkan nykytilan, voisimme ennustaa kaikki tulevat tapahtumat, jopa ihmisten käyttäytymisen.
  1900-luvun alussa saatiin kuitenkin viitteitä tämän ajattelun virheellisyydestä kun engl. fyysikot Rayleigh ja Jeans päätyivät laskelmissaan siihen, että kuuman kappaleen, kuten Auringon säteilemä energia on ääretön. Laskelmissa lähdettiin siitä, että kuuma kappale säteilee energiaa yhtä paljon kaikilla taajuuksilla. Koska taajuuksia on äärettömästi, myös energia kasvaisi äärettömäksi. Päästäkseen eroon tästä mahdottomuudesta saks. fyysikko Max Planck ehdotti v. 1900, että näkyvä valo, röntgensäteet ym magneettinen säteily eivät lähtisikään kuumasta kappaleesta mielivaltaisilla voimakkuuksilla vaan tietyn suuruisina energiapaketteina, kvantteina, joiden energia on sitä suurempi, mitä suurempi on säteilyn värähtelytaajuus.

Tämän oivalluksen vaikutukset determinismiin tulivat esiin 1926 kun saks. Werner Heisenberg julkaisi kuuluisan epätarkkuusperiaatteensa. Jos hiukkasen paikka ja nopeus halutaan mitata tarkasti, esim. valoa apuna käyttäen, tarkkuutta rajoittaa valon aallonpituus. Yhä tarkempaan tulokseen pyrittäessä aallonpituutta on pienennettävä, mutta samalla energia kasvaa ja se vaikuttaa hiukkaseen yhä enemmän. Lopputuloksena on, että mitä tarkemmin hiukkasen paikka mitataan sitä huonommin tunnetaan sen nopeus, ja jos nopeus mitataan tarkasti, paikka jää epätarkaksi. Heisenbergin epätarkkuusperiaate on luonnonlaki, jota ei voi millään kiertää.
  Epätarkkuusperiaate merkitsi loppua deterministiselle maailmankaikkeudelle. Miten voitaisiin ennustaa tarkasti tulevia, jos emme pysty mittaamaan tarkasti edes nykyistä tilaa? Niinpä kvanttifysiikassa voidaan ennustaa vain erilaisten vaihtoehtojen todennäköisyyksiä.
  Planckin kvanttiteorian mukaan valo voi tietyissä tilanteissa käyttäytyä hiukkasten tavoin. Vastaavasti epätarkkuusperiaate sisältää ajatuksen, että hiukkaset voivat käyttäytyä aaltojen tapaan. Hiukkasten välillä voi siis esiintyä myös aaltoliikkeestä tuttu interferenssi-ilmiö.

Aine ja alkeishiukkaset.

Aristoteleen mukaan maailmankaikkeuden kaikki aine oli rakentunut neljästä perusaineesta eli elementistä: maa, vesi, ilma ja tuli. Näihin elementteihin vaikutti kaksi voimaa: maalla ja vedellä oli taipumus painua alemmaksi, ilmalla ja tulella taipumus nousta ylemmäksi. Hän myös uskoi, että aine on mahdollista pilkkoa rajattomasti yhä pienemmäksi ja pienemmäksi. Demokritos ja jotkut muut kreikkalaiset olivat sitä mieltä, että aine koostui erilaisista atomeista, jakamattomista hiukkasista. Kumpaakaan teoriaa ei pystytty todistamaan satoihin vuosiin, ja kummallakin oli kannattajakuntansa. Koulukuntien välinen kiista ratkesi vasta 1900-luvun alkuvuosina kun Einstein julkaisi tutkimuksensa, jossa hän osoitti, että ns. Brownin liike - nesteeseen sekoitettujen pölyhiukkasten sattumanvarainen liikahtelu - voitiin selittää pölyhiukkasiin törmäilevillä atomeilla.

Jo aiemmin oli saatu vihjeitä elektronin olemassaolosta ja v. 1911 engl. Rutherford esitti atomimallinsa, jossa keskellä olevaa positiivista ydintä kiersi negatiivisia elektroneja. Ydintä nimitettiin protoniksi, koska sen uskottiin olevan kaiken aineen perusyksikkö. Vuonna 1932 löydettiin kuitenkin ytimestä toinenkin hiukkanen, joka nimitettiin neutroniksi, koska se oli sähköisesti neutraali. Noin pari vuosikymmentä myöhemmin todettiin protonin koostuvan vielä pienemmistä hiukkasista, kvarkeista. Sitten todettiin kvarkeista olevan useita muunnelmia eli "makuja": u-, d-, s-, c-, b-, ja t-kvarkki. Kukin näistä voi lisäksi esiintyä jossakin kolmesta "väristä", vihreä, sininen ja punainen. Sekä protonissa että neutronissa on kolme kvarkkia: protonissa kaksi u-kvarkkia ja yksi d-kvarkki, neutronissa on kaksi d-kvarkkia ja yksi u-kvarkki. Protonin kvarkit ovat keskenään eri värisiä, niin että itse protoni on "väritön". Sama koskee neutronia. Muista kvarkeista (s, c, b, ja t) syntyy vain hyvin lyhytikäisiä raskaita hiukkasia.
  Kvanttifysiikan mukaan hiukkasilla on myös aaltoluonne ja vastaavasti aalloilla hiukkasluonne. Siten myös valo ja muu aaltoliike sekä myös painovoima voidaan kuvata hiukkasina. Hiukkasilla on myös ominaisuus, josta käytetään nimitystä spin (pyörähdys). Maailmankaikkeuden kaikki hiukkaset voidaan jakaa kahteen ryhmään. Toisessa ovat hiukkaset, joiden spin on 1/2 (ainehiukkaset) ja toisessa hiukkaset, joiden spin on 0, 1 tai 2 (voimahiukkaset).

Voimat ja voimahiukkaset.

Painovoima
vaikuttaa kaikkiin hiukkasiin, mutta on heikoin voimista. Sillä on kuitenkin eräs ominaisuus: se vaikuttaa pitkillä etäisyyksillä ja se on aina vetovoima. Vetovoima-ominaisuus mahdollistaa suurten massojen yhteisvaikutuksesta muodostuvat suuret "tehot". Painovoimaa välittävän hiukkasen, gravitonin, spin on 2. Gravitoni on massaton hiukkanen, joten sen kantama on pitkä. Gravitonit voisivat olla havaittavissa painovoima-aaltoina, mutta ne ovat niin heikkoja, ettei niitä vielä ole havaittu.

Sähkömagneettinen voima
vaikuttaa sähköisesti varautuneiden hiukkasten kuten kvarkkien ja elektronien välillä, mutta ei vaikuta varauksettomiin hiukkasiin. Se on biljoonia kertoja vahvempi kuin painovoima. Sähkövaraukset voivat olla positiivisia tai negatiivisia; samanmerkkiset varaukset vaikuttavat toisiinsa poistovoimana, erimerkkiset vetovoimana.
  Suurissa kappaleissa, kuten Maassa ja Auringossa molempia varauksia on lähes sama määrä, joten ne suurimmaksi osaksi kumoavat toisensa, ja niiden summana havaittava voima on hyvin pieni. Sen sijaan atomien ja molekyylien suuruusluokkaa olevilla etäisyyksillä sähkömagneettinen voima on vallitseva voima. Se pitää negatiiviset elektronit radoillaan positiivisen atomiytimen ympärillä. Kuviteltua massatonta sähkömagneettista virtuaalihiukkasta kutsutaan fotoniksi, ja sen spin on 1. Todellinen, havaittava fotoni syntyy silloin, kun elktroni siirtyy ydintä lähempänä olevalle radalle ja osa sen energiasta vapautuu. Tällöin se voidaan nähdä valona tai jälkenä filmillä. Atomiin osuva todellinen fotoni voi puolestaa sysätä elektronin ulommalle radalle luovuttaen samalla sille energiansa.

Heikkovoima
säätelee radioaktiivisia tapahtumia mutta vaikuttaa vain hiukkasiin joiden spin on 1/2. Siten esimerkiksi fotoni tai gravitoni eivät tunne sitä. Vuonna 1967 Abdus Salam ja Steven Weinberger esittivät teoriansa heikkovoiman yhdistämisestä sähkömagneettiseen voimaan. He ehdottivat myös, että fotonin lisäksi olisi kolme muuta hiukkasta, joiden spin on 1. Ne olisivat heikkoa ydinvoimaa eli heikkovoimaa välittäviä hiukkasia ja niitä alettiin kutsua välibosoneiksi. Nimekseen ne saivat W+, Z0 ja W-- (tuplaveeplus, zetanolla, tuplaveemiinus). Teorian mukaan näillä hiukkasilla on se ominaisuus, että ne hyvin suurilla energioilla ovat toistensa ja fotonin kaltaisia. Normaalitilassa tämä symmetria on kuitenkin rikkoutunut ja ne saavat suuren massan, jolloin niihin liittyvän voiman kantama on lyhyt.

Vahva ydinvoima
(vahvavoima, värivoima) on nimensä mukaisesti voimista vahvin. Se pitää protonin ja neutronin kvarkit yhdessä. Sen ansiosta myös protonit ja neutronit voivat muodostaa atomiytimiä. Myös tämän voiman välittäjä lienee hiukkanen, jonka spin on 1. Tätä hiukkasta kutsutaan gluoniksi ("liimahiukkaseksi") ja sillä on vaikutusta vain itsensä ja kvarkkien kanssa. Vahvavoima sitoo hiukkaset aina sellaisiksi yhdistelmiksi joilla ei ole "väriä". Tämän periaatteen mukaan kvarkki ei voi esiintyä yksinään, koska siihen liittyisi väri (vihreä, sininen tai punainen). Myös gluonilla on väriominaisuus, joten sekään ei voi esiintyä yksinään. Sen voi ajatella useammasta gluonista muodostunutta väritöntä hiukkasta. Myös kvarkki ja antikvarkki voivat muodostaa parin, mesonin, joka kuitenkin tuhoutuu nopeasti.

Kieltosääntö.

Koska ydinvoimat ovat niin valtavia, herää kysymys, mikä estää ydinhiukkasia ajautumista kiinni toisiinsa ja siten atomeita ja samalla koko maailmankaikkeutta romahtamasta?
  Ainehiukkasten (spin 1/2) uskotaan noudattavan Paulin kieltosääntönä tunnettua lakia, jonka mukaan kaksi samanlaista hiukkasta ei voi olla samassa tilassa (esim. samaa paikkaa ja samaa nopeutta samaan aikaan). Tämä estää voimahiukkasia vetämästä ainehiukkasia tiiviiksi "puuroksi" ja mahdollistaa atomien muodostumisen.
  Vuonna 1932 varmistui jo nelisen vuotta aiemmin ennustetun positronin, "antielektronin", olemassaolo. Sittemmin on todettu, että jokaisella muullakin hiukkasella on antihiukkanen, ja että nämä yhteen sattuessaan tuhoavat toisensa.
  Voimahiukkasia kutsutaan virtuaalisiksi hiukkasiksi, koska niitä ei voida tavallisten hiukkasten tapaan suoraan havaita hiukkaskiihdyttimissä. Voimahiukkaset eivät myöskään noudata Paulin kieltosääntöä, joten ainehiukkaset voivat vaihtaa keskenään voimahiukkasia miten paljon tahansa, jolloin vuorovaikutus kasvaa suureksi. Voimahiukkaset jaetaan neljään ryhmään sen mukaan minkälaisia voimia ne välittävät.

Symmetriasäännöt.

Fysiikan käsitteisiin kuuluvat myös ns. symmetriasäännöt. Vuoteen 1956 saakka uskottiin fysiikan noudattavan kolmea symmetriasääntöä, jotka tunnetaan lyhenteinä C, P ja T-symmetria.
  C-symmetria tarkoittaa, että hiukkaset ja antihiukkaset noudattavat samoja luonnonlakeja. P-symmetria sitä, että luonnonlait eivät muutu peilikuvatilanteessa (esim. oikea- tai vasenkätisesti pyörivä hiukkanen). T-symmetria sanoo, että jos kaikkien hiukkasten ja antihiukkasten liikesuunta muutetaan painvastaiseksi, systeemi palaa aiempiin tiloihinsa: luonnonlait ovat siis samat riippumatta siitä kulkeeko aika eteen- vai taaksepäin.
  Myöhemmin on todettu, etteivät kaikki voimat noudata samoja symmetriasääntöjä. Ensin havaittiin, ettei heikko ydinvoima noudata P-symmetriaa, joten peilimaailmassa maailmankaikkeus kehittyisi toisella tavalla kuin normaalissa maailmassa. Sitten todettiin, ettei heikko ydinvoima noudata C -symmetriaakaan, mistä seuraa että antimateriasta rakentuva maailmankaikkeus käyttäytyisi toisin kuin meidän maailmankaikkeutemme.
  Vuonna 1964 havaittiin lisäksi, että jos hiukkaset korvataan antihiukkasilla, maailma käännetään peilikuvaksi mutta ajan suuntaa ei muuteta, maailmankaikkeus ei käyttäydy enää samalla tavalla.Sen takia myöskään T-symmetria ei päde yksinaan eli fysiikan lait muuttuvat, jos ajan suunta käännetään päinvastaiseksi.
  Ilmeisesti siis maailmankaikkeus ei alussa noudattanut T-symmetriaa, koska se laajeni. Jos aika olisi kulkenut toiseen suuntaan, maailmankaikkeus olisi kutistunut. Tästä on myös päätelty, että koska voimat eivät noudattaneet T-symmetriaa, ne muuttivat positroneja kvarkeiksi enemmän kuin elektroneja antikvarkeiksi. Laajentumisen jatkuessa ja maailmankaikkeuden jäähtyessä kvarkit ja antikvarkit alkoivat tuhota toisiaan, mutta jäljelle jäi pieni määrä kvarkkeja, josta me ja ympäristömme olemme muodostuneet.

Päätelmiä.

Antiikin ajoista tietomme maailmankaikkeuden rakenteesta ja aineen olemuksesta on lisääntynyt huimasti. Tämän tiedon pohjalta on rakenneltu teorioita tähtien, galaksien ja koko maailmankaikkeuden synnystä. Tiettyjen alkuoletusten pohjalta on laadittu erilaisia maailmankaikkeuden malleja, joita sitten matematiikan keinoin on pyritty testaamaan. Mutta matematiikallakin on rajansa. Laskelmat saattavat olla hyvin työläitä ja aikaa vieviä, joskus käytännössä jopa mahdottomia. Oletettyjen uusien alkeishiukkasten ja yhtenäisvoimien löytämistä hankaloittaa varsinkin niiden esiinsaamiseen tarvittavien hiukkaskiihdyttimien koko. Aurinkokunnan kokoisen kiihdyttimen rakentamiseen tuskin löytyy rahoja.
 Tähtitieteellisillä havainnoilla taas on pitkistä etäisyyksistä johtuvat rajoituksensa. Näemme avaruuden kaukaiset kohteet sellaisina kuin ne olivat vuosimiljardeja sitten, joten emme tiedä, miltä avaruus näyttää juuri tällä hetkellä.
  Ajoittain kuitenkin jotkut tiedemiehet ovat antaneet lausumia joiden mukaan kaikki fysiikan salat on selvitetty tuota pikaa ja että jo muutaman vuoden sisällä saadaan aikaiseksi kaiken kattava yhtenäisteoria. Joka kerta on kuitenkin jokin uusi havainto pakottanut muuttamaan käsityksiä ja etsimään uusia ratkaisumalleja.

Toisaalta uusien luonnonlakien löytäminen on vain faktatiedon lisääntymistä. Mikään ei vielä selitä sitä, miksi nuo lait ovat sellaisia kuin ovat:

Erääksi vastaukseksi on tarjottu ns. antropistista periaatetta: maailmankaikkeus on sellainen kuin on, koska toisenlaisessa maailmankaikkeudessa ei olisi voinut syntyä atomeita, tähtiä, galakseja, planeettoja eikä myöskään elämää, joten meitä ei olisi täällä kyselemässä.
  On tietenkin selvää, ettei meitä olisi, jos luonnonlait olisivat toisenlaiset. Tämä oivallus ei kuitenkaan vastaa kysymykseen miksi kaikki on niinkuin on? Mustien aukkojen ja reunattoman maailmankaikkeuden teorioistaan tunnettu Stephen Hawking uskoo että täydellisen yhtenäisteorian löytäminen voisi ratkaista kysymyksen siitä miksi olemme olemassa ja miksi maailmankaikkeus on olemassa Hän sanoo: "Vastaus olisi ihmisjärjen lopullinen riemuvoitto - sillä silloin tietäisimme, mitä Jumalalla on mielessä."
  Itse olen sitä mieltä, että tällöinkin tietäisimme vielä hyvin vähän siitä, mitä Jumalan mielessä on.

Lisäys 7.10.03

Antropistinen periaate voidaan - sen perimmäisen merkityksen muuttumatta - ilmaista myös toisin päin: maailmankaikkeus on sellainen kuin se on siksi, että me voimme olla täällä sitä kyselemässä. Tässä muodossa se myös antaa periaatteellisen vastauksen esitettyihin kysymyksiin: sen rakenteella ja olemassololla on jokin tarkoitus.


Kirjallisuutta:
Stephen Hawking: Ajan lyhyt historia.

Linkkejä:
Ymmärryksen siivet. Miksi tiede on länsimaista?
Päiviö Latvuksen poikkeuksellisen kattavan kulttuurihistoriallisen teoksen esittely.

Tieteen ja ajattelun historiaa
Reijo Rasinkankaan perusteellinen katsaus aiheeseen.

 
 
8.4.2001 (päivitetty 21.07.07)