Gravitaatio oli ensimmäinen perusvoima, jonka ihmiskunta tunnisti, mutta sitä ymmärretään edelleen vähiten. Fyysikot pystyvät ennustamaan painovoiman vaikutuksen keilapalloihin, tähtiin ja planeettoihin erinomaisella tarkkuudella, mutta kukaan ei tiedä, miten voima on vuorovaikutuksessa pienimpien hiukkasten eli kvanttien kanssa. Lähes vuosisatoja kestäneen kvanttigravitaatioteorian – kuvauksen siitä, miten voima toimii maailmankaikkeuden pienimmissä kappaleissa – etsimisen taustalla on yksinkertainen odotus siitä, että yhden ainoan gravitaatiosääntökirjan pitäisi hallita kaikkia galakseja, kvarkkeja ja kaikkea siltä väliltä.
”Jos teoriaa ei ole, maailmankaikkeus on pelkkää kaaosta. Se on vain satunnaista”, sanoo Netta Engelhardt, teoreettinen fyysikko Massachusetts Institute of Technologysta. ”En voi edes sanoa, että se olisi kaoottista tai satunnaista, koska nuo ovat itse asiassa legitiimejä fysikaalisia prosesseja.”
Yleisen suhteellisuusteorian reuna
Teoreettisen fysiikan piikikkäimmän ongelman ytimessä on alan kahden suurimman riemuvoiton välinen ristiriita. Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria korvasi Isaac Newtonin käsityksen kappaleiden välisestä yksinkertaisesta vetovoimasta kuvauksella, jossa aine tai energia taivuttaa avaruutta ja aikaa ympärillään, ja lähellä olevat kappaleet seuraavat näitä kaarevia polkuja ja käyttäytyvät ikään kuin ne vetäisivät toisiaan puoleensa. Einsteinin yhtälöissä painovoima on itse avaruuden muoto. Hänen teoriansa säilytti perinteisen kuvauksen sileästä, klassisesta maailmankaikkeudesta, jossa voi aina zoomata pienempään avaruuden osaan.
Yleinen suhteellisuusteoria läpäisee edelleen kaikki astrofyysikoiden sille asettamat testit, mukaan lukien tilanteet, joita Einstein ei olisi voinut kuvitellakaan. Useimmat asiantuntijat odottavat kuitenkin Einsteinin teorian jäävän jonain päivänä vajaaksi, koska maailmankaikkeus näyttää lopulta kuoppaiselta, ei sileältä. Planeetat ja tähdet ovat itse asiassa atomikokoelmia, jotka puolestaan koostuvat elektroneista ja kvarkkikimpuista. Nämä hiukkaset roikkuvat yhdessä tai hajoavat toisentyyppisiä hiukkasia vaihtamalla, mikä synnyttää veto- ja hylkimisvoimia.
Elektriset ja magneettiset voimat syntyvät esimerkiksi siitä, että kappaleet vaihtavat virtuaalifotoneiksi kutsuttuja hiukkasia. Esimerkiksi magneetin jääkaappiin kiinnittävää voimaa voidaan kuvata tasaisena, klassisena magneettikenttänä, mutta kentän hienot yksityiskohdat riippuvat sitä synnyttävistä kvanttihiukkasista. Maailmankaikkeuden neljästä perusvoimasta (gravitaatio, sähkömagnetismi sekä vahva ja heikko ydinvoima) vain gravitaatiosta puuttuu ”kvanttikuvaus”. Tämän vuoksi kukaan ei tiedä varmasti (vaikka ideoita on paljon), mistä gravitaatiokentät tulevat tai miten yksittäiset hiukkaset toimivat niiden sisällä.
Omituinen voima
Ongelmana on se, että vaikka painovoima pitää meidät kiinni maassa ja toimii yleisesti ottaen voimana, yleinen suhteellisuusteoria viittaa siihen, että se on jotain muutakin – itse avaruuden muoto. Muut kvanttiteoriat käsittelevät avaruutta litteänä taustana, jolla mitataan, kuinka kauas ja nopeasti hiukkaset lentävät. Avaruuden kaarevuuden huomiotta jättäminen hiukkasten osalta toimii, koska painovoima on niin paljon muita voimia heikompi, että avaruus näyttää litteältä, kun sitä suurennetaan niinkin pieneen asiaan kuin elektroniin. Painovoiman ja avaruuden kaarevuuden vaikutukset näkyvät suhteellisen selvästi pienemmillä tasoilla, kuten planeetoilla ja tähdillä. Mutta kun fyysikot yrittävät laskea avaruuden kaarevuutta elektronin ympärillä, niin vähäistä kuin se onkin, matematiikka käy mahdottomaksi.
1940-luvun lopulla fyysikot kehittivät renormalisoinniksi kutsutun tekniikan, jolla voidaan käsitellä kvanttimekaniikan oikkuja, joiden avulla elektroni voi piristää tylsää matkaa äärettömän monella tavalla. Se voi esimerkiksi ampua fotonin. Fotoni voi jakautua elektroniksi ja sen antimateriakaksoseksi, positroniksi. Nämä parit voivat sitten ampua lisää fotoneja, jotka voivat jakautua lisää kaksosiksi ja niin edelleen. Täydellinen laskenta edellyttäisi elektronien äärettömän monenlaisten matkojen laskemista, mutta renormalisointi antoi fyysikoille mahdollisuuden koota kaikki mahdollisuudet muutamiin mitattavissa oleviin lukuihin, kuten elektronin varaukseen ja massaan. He eivät voineet ennustaa näitä arvoja, mutta he pystyivät liittämään niihin kokeista saatuja tuloksia ja käyttämään niitä muiden ennusteiden tekemiseen, kuten siihen, minne elektroni on menossa.
Renormalisointi lakkaa toimimasta, kun teoreettiset gravitaatiohiukkaset, gravitonit, astuvat kuvaan. Gravitoneilla on myös oma energiansa, joka luo lisää avaruuden vääristymiä ja lisää gravitoneja, jotka luovat lisää vääristymiä ja lisää gravitoneja ja niin edelleen, mikä yleensä johtaa jättimäiseen matemaattiseen sotkuun. Jopa silloin, kun fyysikot yrittävät kasata joitakin äärettömyyksiä yhteen kokeellisesti mitattaviksi, he päätyvät hukkumaan äärettömään määrään kasoja.
”Se tarkoittaa käytännössä sitä, että tarvitaan ääretön määrä kokeita minkään määrittämiseksi”, Engelhardt sanoo, ”eikä se ole realistinen teoria.”
Käytännössä tämä kyvyttömyys käsitellä hiukkasia ympäröivää kaarevuutta kasvaa kohtalokkaaksi tilanteissa, joissa paljon massaa ja energiaa vääntää avaruutta niin tiukasti, että jopa elektronit ja niiden kaltaiset eivät voi olla huomaamatta – kuten mustien aukkojen tapauksessa. Mutta kaikki hiukkaset, jotka ovat hyvin lähellä – tai mikä vielä pahempaa, sisällä – aika-avaruuden kuoppia, tietävät varmasti pelisäännöt, vaikka fyysikot eivät tietäisikään.
”Luonto on löytänyt tavan saada mustat aukot olemaan olemassa”, kirjoitti Robbert Dijkgraaf, Princetonin, New Jerseyn osavaltiossa sijaitsevan Institute for Advanced Study -instituutin johtaja, instituutin julkaisussa. ”Nyt on meidän tehtävämme selvittää, mitä luonto tietää ja mitä me emme vielä tiedä.”
Painovoiman ottaminen mukaan
Käyttämällä yleisen suhteellisuusteorian approksimaatiota (Engelhardt kutsui sitä ”laastariksi”) fyysikot ovat kehittäneet käsityksen siitä, miltä gravitonit voisivat näyttää, mutta kukaan ei odota näkevänsä niitä lähiaikoina. Erään ajatuskokeilun mukaan sellaisen havaitseminen vaatisi 100 vuoden kokeet Jupiterin painoisen hiukkastörmäyttimen avulla. Sillä välin teoreetikot pohtivat uudelleen maailmankaikkeuden peruselementtien luonnetta.
Yksi teoria, joka tunnetaan nimellä silmukkakvanttigravitaatio, pyrkii ratkaisemaan hiukkasten ja aika-avaruuden välisen ristiriidan hajottamalla avaruuden ja ajan pieniin palasiin – lopulliseen ratkaisuun, jota pidemmälle zoomausta ei voi tapahtua.
Jousiteoria, toinen suosittu viitekehys, käyttää toisenlaista lähestymistapaa ja vaihtaa hiukkaset kuitumaisiin jänteisiin, jotka käyttäytyvät matemaattisesti paremmin kuin niiden pistemäiset vastineet. Tällä yksinkertaisella muutoksella on monimutkaisia seurauksia, mutta yksi mukava piirre on, että painovoima vain putoaa pois matematiikasta. Vaikka Einstein ja hänen aikalaisensa eivät olisi Engelhardtin mukaan koskaan kehittäneet yleistä suhteellisuusteoriaa, fyysikot olisivat törmänneet siihen myöhemmin säieteorian avulla. ”Minusta se on aika ihmeellistä”, hän sanoi.
Ja säieteoreetikot ovat Engelhardtin mukaan viime vuosikymmeninä löytäneet lisää viitteitä siitä, että he ovat tuottavalla tiellä. Yksinkertaisesti sanottuna ajatus avaruudesta itsessään saattaa häiritä fyysikoita universumin perustavammasta rakenteesta.
Teoreetikot havaitsivat 1990-luvun lopulla, että kuvaukset yksinkertaisesta, laatikkomaisesta maailmankaikkeudesta, joka sisältää painovoiman, vastasivat matemaattisesti kuvaa litteästä maailmankaikkeudesta, jossa on vain kvanttifysiikkaa (eikä painovoimaa). Kyky hyppiä edestakaisin kuvausten välillä viittaa siihen, että avaruus ei ehkä ole kosmoksen perustavanlaatuinen ainesosa vaan pikemminkin hiukkasten vuorovaikutuksesta syntyvä sivuvaikutus.
Kuin vaikea meidän avaruuden kudokseen sulautuneiden kuolevaisten onkaan kuvitella, avaruuden ja hiukkasten välinen suhde saattaa olla jotakuinkin samanlainen kuin huoneenlämmön ja ilmamolekyylien välinen suhde. Fyysikot ajattelivat ennen lämpöä nesteenä, joka virtaa lämpimästä huoneesta viileään huoneeseen, mutta molekyylien löytäminen paljasti, että se, minkä aistimme lämpötilana, ”syntyy” ilmamolekyylien keskinopeudesta. Avaruus (ja vastaavasti painovoima) voi samalla tavalla edustaa suuren mittakaavan kokemustamme jostakin pienen mittakaavan ilmiöstä. ”Säieteorian sisällä on tällä hetkellä melko hyviä viitteitä siitä, että avaruus on itse asiassa emergentti”, Engelhardt sanoi.
Mutta säieteorian laatikossa oleva maailmankaikkeus on muodoltaan erilainen kuin se, jonka me näemme (vaikka Engelhardt sanoi, että tämä ero ei välttämättä ole ratkaiseva, sillä kvanttigravitaatio voisi toimia samalla tavalla kaikissa mahdollisissa maailmankaikkeuden muodoissa). Vaikka laatikko-universumin opetukset soveltuisivatkin todellisuuteen, matemaattinen kehys on edelleen karkea. Fyysikot ovat vielä kaukana siitä, että he katkaisisivat teoreettiset siteensä avaruuteen ja saisivat aikaan tarkan kuvauksen kvanttigravitaatiosta kaikessa kuoppaisessa loistossaan.
Vaikka he jatkavat teorioidensa huomattavien matemaattisten ongelmakohtien selvittämistä, jotkut fyysikot elättelevät toivoa siitä, että heidän astrofysikaaliset havaintonsa voivat jonain päivänä työntää heitä oikeaan suuntaan. Tähän mennessä yksikään koe ei ole poikennut yleisen suhteellisuusteorian ennusteista, mutta tulevaisuudessa gravitaatioaaltojen ilmaisimet, jotka ovat herkkiä monille aaltokokoluokille, voivat havaita gravitonien hienovaraisia kuiskauksia. Engelhardt sanoi kuitenkin, että ”minun vaistoni olisi pikemminkin tarkastella kosmosta kuin hiukkasten törmäyslaitteita.”