KARI RANTA
￭
Julkisuudessa muutamia hiukkasfysiikan aiheita mystifioidaan tai ainakin annetaan ymmärtää niiden olevan jotenkin merkillisen satunnaisia ja reaalimaailmasta poikkeavia. Toimittajat saattavat vetää mutkat suoriksi ja kirjoittaa otsikoihin jumalhiukkasista tai maailmanlopun hiukkasista. Heillä on omat motiivinsa moiseen. Useimmat nykyajan fyysikoista ovat ateisteja. Tässä artikkelissa käydään läpi hiukkasfysiikan perusteita sähköalan opintojen pohjalta.
Aloitetaan Heisenbergin epätarkkuusperiaatteesta, jonka mukaan alkeishiukkasen paikan ja liikemäärän arvoja ei voida määrittää samanaikaisesti kuin Planckin vakion määrittämällä epätarkkuudella. Syy on periaatteellinen, eikä liity kaikkiin mittauksiin liittyvään mittausepätarkkuuteen. Vastaavanlainen epätarkkuusrelaatio on voimassa myös energialle ja ajalle. Periaatteella voi olla lisäksi tekemistä vahvan ydinvoiman kanssa.
Materialistin kuuluu pitää epätarkkuusperiaatetta aivan luonnollisena, koska alkeishiukkaset ovat niin pieniä, että jo valokvantin energia pääsee vaikuttamaan niihin. Valokvanttia tai gammafotonia kuitenkin tarvittaisiin mittausta tekemään. Onneksi hiukkaskiihdyttimien kuvissa alkeishiukkasten radat kuitenkin näkyvät selvästi.
Hiukkasfysiikan luontainen epätarkkuus johtaa kuitenkin siihen, että hiukkasfysiikan monet lainalaisuudet voidaan todistaa vain todennäköisyyksien kautta, mutta samalla voi jäädä epäselväksi, mitä todella tapahtuu ja miksi. Esimerkiksi osa elektroneista voi tunneloitua energiavallin läpi ja määrää voi laskea todennäköisyyslaskennalla. Selitysmallissa myös hiukkasmaisuus voi korvautua aaltomaisuudella, mikäli hiukkasen tielle osuu ohuita esteitä.
Tästä päästään toiseen vähän vaikeaan teoriaan eli aaltofunktioteoriaan eli Schrödingerin yhtälöön, joka on itse
asiassa differentiaaliyhtälö, jonka ratkaisut ainakin yksinkertaisissa, yksiulotteisissa tapauksissa ovat sin(x)- ja cos(x)-muotoisten funktioiden yhdistelmiä. Fyysikot ja teekkaritkin joutuvat näitä opiskelemaan. Itse aaltofunktion amplitudia sanotaan todennäköisyysamplitudiksi, koska sen neliö osoittaa todennäköisyyden sille, että hiukkanen on tietyllä alueella. Näistä saadaan piirrettyä esim. atomimalleja, jossa elektronit ovat jossain ydintä ympäröivässä kolmiulotteisessa ”pilvessä”. Wikipedian mukaan ne eivät kierrä eivätkä kiepu atomin ytimen ympärillä, mutta ne ovat kuitenkin omassa energiatilassaan. (Elektronit voivat olla myös vapaina atomeista.)
Oma lukunsa on nimitys kvanttimekaniikka, joka minusta korostaa jotain mekaanista, vaikka teoria on ihan muuta. Oli miten oli, mutta alkeishiukkasista, kvarkeista, leptoneista ja bosoneista on nykyään yksimielisyys, ja viimeisenä löydettiin jälkiä raskaasta Higgsin bosonista. Oli nimittäin teoria massiivisesta ja erikoisesta Higgsin bosonista ja odotettiin, että se ilmestyisi tuloksiin, jos vain hiukkaskiihdytin yltäisi entistä suurempiin energioihin. Ja niin todella kävi, eli törmäysenergian nosto tuotti merkkejä siitä vuonna 2012.
Massiiviselle bosonille on ominaista erittäin nopea hajoaminen, ja päättely täytyy tehdä hajoamistuotteista ja tilastomatematiikkaa käyttäen. Voi olla, että vaikka CERN:in hiukkaskiihdytin olisi vieläkin tehokkaampi, mitään raskaampaa ei enää löytyisi. Se tie on ehkä loppuun kuljettu. Raskaat hiukkaset ovat nimittäin epästabiileita ja keveät puolestaan ikuisia.
Mikäli haluaa opiskella hiukkasfysiikkaa vähän eteenpäin, kannattaa omaksua ajatus, että alkeishiukkasilla on varaus ja spin. Ne saavat eksakteja arvoja. Varaus on tietysti helppo käsite ja sitä verrataan elektronin varaukseen. Hämmästyttävää ja ainakin huonosti selitettyä on, että varaus voi olla esim. 2/3 tai -1/3 jne. Eikä varauksen olemusta taideta maallikolle selittää. Spin on myös kvantittunut, mutta se on ymmärretty kulmaliikemääräksi, vaikka fyysikot varoittavat ymmärtämästä sitä pyörimisliikkeeksi, koska fotoneillakin on sitä. Sen kvantittuminen tarkoittaa, että spin saa arvoja 0, 1/2, 1, 3/2 kertaa Planckin vakio.
Atomien osalta elektronien varaus ja protonien sisältämät kolme kvarkkia (2 kpl up ja 1 kpl down) saavat atomien kokonaisvarauksen tasapainoon. Samalla saadaan selitetyksi, kuinka neutronien varaus saadaan nollaksi, niin ikään kolmen kvarkin avulla. Itse asiassa sellainenkin tieto voi olla kiintoisa, että atomin ulkopuolella oleva neutroni on lyhytikäinen eli noin 15 minuuttia. Se hajoaa protoniksi, elektroniksi ja antineutriinoksi.
Jatkamatta syvemmälle täytyy mainita, että hiukkasten massan olemuksen selittäminen on erittäin vaikea juttu ja siinä saatetaan ryhtyä kirjoittamaan kvanttimekaanisesta symmetriasta. Mutta on olemassa myös kilpailevia selityksiä. Jätämme asian tähän, vaikka Higgsin bosonia on kutsuttu myös Jumalhiukkaseksi toimittajien toimesta.
Kolmas hiukkasfysiikasta kirjoittavien toimittajien lempiaihe on lomittuminen, englanniksi entanglement, joka on esimerkiksi kahden hiukkasen ominaisuus. Lomittuneessa tilassa niillä on korrelaatioita, minkä vuoksi mitattaessa yhden ominaisuus tullaan samalla määrittäneeksi toisen vastaava ominaisuus, vaikka toinen olisi kaukana. Tästä aukeni utopia nopeasta tietoliikenteestä, mikä on sittemmin todistettu vääräksi. Toisaalta lomittumista koitetaan käyttää kvanttitietokoneissa.
Loppukommentti: materialismi kaipaisi fyysikon panosta tai modernin kirjan etsintää. Sitä odotellessa Wikipedia on oiva väline opiskella käsitteitä.
Lähteet:
Alonso-Finn: Fundamental university physics, 1972.
Sean Carroll: Maailmanlopun hiukkanen, 2012, URSA.
Ian Stewart: 17 Equations that changed the world, 2012.
Arto Annila: Kaiken maailman kvantit, 2019.
Tekstin tarkistuksesta kiitos Robert Brotherukselle.
￭
Artikkeli on julkaistu Vapaa Ajattelija -lehdessä 1/2026.