Fyysikon kanssa treffeille: aika-avaruusmatka hiukkasmeren pyörteissä

By Maunu Penttinen

Fysiikka tunkeutuu kaikkialle, vaikka emme sitä aina tiedosta. On tuttua, että fysiikka on mielessämme ajan, gravitaation ja kvanttifysiikan kaltaisissa ilmiöissä. Fysiikkaa on myös elämän synnyn, DNA:n rakenteen ja tietoisuuden takana, usein yllättävän syvällä. Emme pääse treffeille, jollei fysiikka auta meitä siinä. Nykyinen elämäntapamme, hyvässä ja pahassa, perustuu muutaman kymmenen fyysikon oivalluksiin.

Fysiikka on tiedettä, joka ei ole sama asia kuin totuus. Tiedehän ei kerro totuutta, vaan sitä miltä asiat mitattuna näyttävät. Fysiikka on loogista ajattelua.

Kirja kertoo fysiikan ilmiöistä isän ja abiturienttityttären keskustelun kautta. Meille tulevat tutuksi modernin fysiikan perusilmiöiden lisäksi sen rooli mm. elämän synnyssä ja tietoisuudessa. Erityisesti ajan rooli kuvataan syvällisesti eri fyysikoiden ristiriitaistenkin näkemysten sekä aivan uuden aikanäkemyksen pohjalta. Kirjan lopussa on runoja Universumistamme.

• Language: Suomi
• Publisher: Books on Demand
• Release date: Aug 8, 2019
• ISBN: 9789528090458

Maunu Penttinen

Tekijä, Maunu Penttinen, on tieteiden aktiiviharrastaja yli neljänkymmen vuoden ajalta ja Ursa ry:n jäsen.

Book preview

Sisällysluettelo

ESIPUHE

JOHDANTO

Ihmisen käsitys todellisuudesta

AIKA JA AVARUUS

Mitä avaruus on?

Massa ja massa

Mitä aika on?

Alkuräjähdys ja avaruuden laajeneminen

Pimeä puoli

ALKEISHIUKKASTEN MAAILMA

Mistä kemia syntyy?

Hiili, suola ja vesi

Kvarkki tai kepponen

Antimateria

Aineen ja energian parisuhde

Aineen vuorovaikutukset

Outo kvanttimaailma

Pikseleitä pullollaan

Epämääräistä kaikki on vaan

Mummon mirri

Nyhjää tyhjästä

QED

Se on aallosta kiinni

Tanssii tähtien kanssa

Musta aukko

Uutta universumia pukkaa tulemahan

Suuri äänetön pamaus

Lisää universumien ituja

Voi Higgsin Higgsi eli kadonneen hiukkasen metsästäjät

Faasimuutokset eli mitä voimme oppia lavuaarista

Luonnon lottonumerot

Paluu aikaan I

Ei Narniaan vaan inertiaan

Mitä virkaa koko hommalla?

Kvanttigravitaatio

ELÄMÄÄ KVANTTIMAAILMASSA

Elävä kvanttifysiikka

On se kone

Fotosoppauksesta fotosynteesiin

Aistien varassa

Kvanttigeeni

Elämän alku

Tietoisuuden lähteillä

Vapaa tahto vai pakkovalta?

TOTUUTTA VAI TIETOA?

FAKTAA VAI FIKTIOTA ELI PALUU AIKAAN II?

Aika ei ole vielä valmis paketoitavaksi

Yksinäisen hiukkasen universumi

Kahden hiukkasen universumi

Äärimmäinen yksinkertaistus

Kvanttigravitaatio vai kvanttiaika?

Tietoisuus ja vaihtoehtoaika

MITÄ VÄLII

UNIVERSUMIN RUNOJA

HENKILÖHAKEMISTO

LÄHTEITÄ

ESIPUHE

On hämmästyttävää, kuinka vähän nykyään puhutaan fysiikasta, nimenomaan tarkoittaen maailmaa alkeishiukkasista avaruuden ja ajan suuriin rakenteisiin. Kävin kouluni ja opiskeluni 60-70 luvuilla, jolloin kvanttifysiikan tieto oli merkittäviltä osiltaan jo olemassa. Sama pätee suhteellisuusteoriaan, jota luin 16-vuotiaana Rolf Nevanlinnan kirjasta Suhteellisuusteorian periaatteet. Innostuneina väiteltiin parin koulukaverin kanssa myös George Gamovin teoksista. Olimme nuorina Tapiolalaisina varmaan outoja lajissamme. Ainakin yksi meistä on tehnyt myös uransa fysiikan alalla.

Koulussahan ei suhteellisuusteoriasta puhuttu mitään, kuten ei kvanttifysiikastakaan, vaikka niiden perusteet olivat jo tuolloin erittäin hyvin tiedossa. Silti suhteellisuusteoria on aivan välttämätöntä huomioida, jos haluaa löytää älypuhelimella treffeille vieraaseen kahvilaan. Niille treffeille palataan myöhemmin. Elektroniset laitteet perustuvat tekniikkaan, joka on syntynyt kvanttifysiikan ymmärryksen kautta. Nykyisenkaltainen elämäntyyli ei yksinkertaisesti onnistuisi ilman kvanttifysiikan ja suhteellisuusteorian osaamista. Ainakin jonkun täytyy osata ja olisi hyvä, jos muutkin olisivat hieman hajulla siitä missä mennään. Kvanttifysiikka ja suhteellisuusteoria ovat paljon kiehtovimpia ja yllättävämpiä kuin mikään Hollywoodin tieteiselokuva.

Ilmaston kehittymistä ratkotaan matemaattisilla malleilla, jotka kuvaavat luonnon eli ilmakehän, vesistöjen, maaperän ja biosfäärin toimintaa. Työurani tein vastaavasti rakenteiden mallinnuksen parissa, vaikka aluksi lähdin tähtitiedettä opiskelemaan ja kävin Helsingin Yliopiston käytävillä tähtipölyjä haistelemassa. Leipä vaikutti kuitenkin varmemmalta maanpäällisten rakenteiden parissa ja siirryin Otaniemeen opiskelemaan. Kiinnostus tähtitieteeseen, kosmologiaan ja viimeiset vuosikymmenet myös alkeishiukkasten maailmaan on silti säilynyt. Tästä harrastuksesta tämä kirjoitus on syntynyt. Suuri fysiikan mysteeri on siinä, että asiat eivät ole sitä miltä ne meistä tuntuvat.

Jopa ns. pehmopuolen tieteisiin on syntynyt mitattavaa tiedettä. Tiedehän ei kerro totuutta, vaan sitä miltä asiat mitattuna näyttävät. Tieteeksi sitä kutsutaan siinä vaiheessa, kun mittaustulos on varmistettu toisen tutkijaryhmän toimesta ja muut asiantuntijat ovat saaneet mittaustuloksia kommentoida. Huuhaa kertoo siitä, miltä asiat joistain ihmisistä tuntuvat ilman, että toiset voivat sitä puolueettomasti mitata ja vahvistaa. Matematiikan rooli ja sen osaaminen heikentyivät kouluopetuksessa pitkään. Matematiikka on yksi parhaista apuneuvoista humpuukia ja virheellisiä käsityksiä vastaan. Tarvitaan siis kamppailua loogisen ajattelun puolesta. Fysiikka on loogista ajattelua. Ilmaston tulevaisuutta ei voi laskea ja oikeita ympäristöratkaisuja ei osata välttämättä tehdä ilman numeroiden apua.

Tämä ei ole puhdas jo vahvistetun tiedon tietokirja, sillä olen loppuun lukuun Faktaa vai fiktioita eli Paluu aikaan II lisännyt kuvaksen siitä, mikä voisi olla mahdollista. Se liittyy ajan mysteeriin. Aika onkin kaikkein haastavin elementti, sillä ajan todellisuus on kaikkein kauimpana siitä, miltä se meistä tuntuu.

JOHDANTO

Ihmisen käsitys todellisuudesta

Tiede on osoittanut, että ihmisen ymmärrys ja kokemusmaailma on hyvin rajoittunut. Saamme tietoa ympäröivästä maailmasta muutamien aistien avulla. Emme tunne maan pyörimistä tai Maapallon kulkua auringon ympäri. Koemme kehossamme vain pienen osan sähkömagneettisesta säteilystä, vaikka jotkut muuta väittävät. Työssäni tuli vastaan esimerkki, jossa vanha mummo oli saanut sydänoireita maston säteilyn takia, kun läheisyyteen näkyville oli rakennettu uusi tietoliikennemasto. Hän valitti asiasta lääkärille. Asiaa selvitettäessä kävi ilmi, että mastoon ei oltu vielä kytketty sähköä, eikä se myöskään siis mitään säteillyt (paitsi valotaajuisia fotoneja). Oire johtui siis mastosta, mutta ei radiosäteilystä. Aistimme voivat meitä johtaa harhaan. Itseasiassa näin pääosin tapahtuukin. Koemme aisteillamme sähkömagneettisesta säteilystä vain pienen osan eli valoa ja vähän lämpösäteilyä. Radio ja kännykkäpuhelut jäävät kuulematta ilman insinöörien apua. Soluissamme tapahtuu jokainen sekunti miljoonia biokemiallisia reaktioita, joista emme ole tietoisia. Meillä ei ole magneettista aistia, vaikka joillain linnuilla se on. Tuo magneettinen aisti perustuu muuten kvanttifysiikan ilmiöihin. Kvanttimaailmasta emme tunne mitään. Vai tunnemmeko sittenkin?

Aistimme ovat kehittyneet vuosimiljoonien aikana pitämään meidät hengissä luonnon ympäristössä. Aistien päämäärä on ollut löytää ruokaa ja lisääntymiskumppani sekä vältellä saalistajia. Kaikki tämä Darwinin oppien mukaisesti. Aistien tarkoitus ei ole ollut antaa kaikkea informaatiota, vaan ainoastaan se, joka palvelee yllä mainittuja tavoitteita. Ei ole ollut väliä syntyykö meille jostain asioista väärä mielikuva, jos se ei ole vaikuttanut eloonjäämiseen. Jokainen tietää myötäsyntyisesti, että aika on absoluuttista. Albert Einstein osoitti, että näin ei ole. Aika ja sen kulku riippuvat nopeudesta ja painovoimasta.

Me ihmiset, jotka yhtenä eläinlajina asustamme maailmankaikkeuden ihan keskimääräisessä paikassa toistaiseksi poikkeuksellisen miellyttävällä planeetalla, emme ehkä voi saavuttaa absoluuttista ymmärrystä Universumin toiminnasta. Aivojemme rakenne ei mahdollisesti ole siihen sopiva ja riittävä. Myös matematiikka, jonka nimeen fyysikot vannovat, voi johtaa meitä harhaan, vaikka tämä ei ole luultavaa. Tähän asti matematiikalla on onnistuttu kuvaamaan ja ennen kaikkea ennustamaan ilmiöitä, jotka myöhemmin on todettu mittauksilla paikkansa pitäviksi. Matematiikka on kuitenkin vain yhden eläinlajin eli ihmisen kehittämä symbolijärjestelmä.

Universumissa vallitsevat syvimmät luonnonlait eivät ehkä ole niin kauniita ja ymmärrettäviä kuin fyysikot toivovat. Meillä on kuitenkin mitä ilmeisimmin kyky tehdä hyviä arvioita luonnon ilmiöistä ja fysiikan laeista. Mittaukset ovat tämän osoittaneet. Tämä kirja kertoo lähes tositarinaa, sillä tavalla kuin tositarinaa voi näinä valheiden ja huuhaan päivinä totena pitää. Kun puhutaan tieteestä ja erityisesti fysiikasta, on moniin asioihin eriäviä näkemyksiä. Esitetyt näkemykset perustuvat joidenkin fyysikoiden käsityksiin. Faktoja on tarkistettu lisäksi Wikipediasta detaljien osalta. Selkeästi olen eritellyt omat ajatukseni omaan kappaleeseensa. Uusia tuloksia fysiikan ihmeellisestä maailmasta tulee liki viikoittain. Kaikki kirjat ovat kirjoitusaikansa vankeja eli tässä suhteessa tämä teksti perustuu vuoden 2018 ja vuoden 2019 alun tietoihin, jotka myöhemmät tutkimukset voivat osoittaa joltain osin vääräksi, kuten kaikki muutkin kirjat.

Kirja on kirjoitettu ajatellen lukijaa lukiolaisesta vanhukseen. Teos ei sisällä hankalaa matematiikkaa, vain muutamia tärkeimpiä kaavoja. Toivottavasti jollain nuorella herää aiheeseen kiinnostusta. Kehyskertomus – joka on fiktiota – liittää fysiikan tarinaa tavalliseen jokapäiväiseen elämään. Kirjoituksen ei ole lisätty viitteiden merkintää, sillä teksti on kirjoitettu kuvaamaan keskustelua. Suorat lainaukset on erikseen merkitty. Nimeämiskäytäntönä olen kirjoittanut Universumin isolla, kun puhutaan siitä maailmankaikkeudesta, jossa nyt elämme. Se on kirjoitettu pienellä, kun puhutaan yleisesti universumeista. Maailmankaikkeus-termillä olen tässä viitannut kaikkeen mitä voisi olla. Antiaineesta olen käyttänyt antimateria nimeä.

Kiitokseni esitän Tinalle tekstin läpikäymisestä ja aiheellisista kommenteista. Lisäksi kiitän teoreettisen fysiikan professoria Erkki Thunebergia vastauksista eräisiin tekemiini kysymyksiin. Teksti ja vastuu sisällöstä on yksin vain kirjoittajan.

AIKA JA AVARUUS

– Mitä välii? sanoo yhdeksäntoistavuotias Etelä-Tapiolan lukion abiturientti Milla isälle, kun isä muistuttaa maanantain fysiikan kokeista ja lukemisesta niihin.

– Fysiikka on niin out, jatkaa Milla, joka on lähdössä isän autolla perjantaiiltana ensimmäisille treffeilleen Tapiolasta Paten luo Tikkurilaan. Tämä siitä huolimatta, että Tikkurila on jossain älyttömän kaukana Kehä kolmosen ulkopuolella. Pate, joka on identtinen kaksonen, vaikutti niin ihanalta WhatsAppissa.

– Eihän fysiikalla ja matematiikalla ole mitään tekemistä treffien kanssa. Somessakaan kukaan ei puhu fysiikasta. Se on tylsää. Aion sitä paitsi lähteä elokuva-alalle ohjaajaksi. Vai, onko muka fysiikassa jotain mielenkiintoista? kysyy Milla.

Millan mielestä ympäristöasiat ovat paljon tärkeämpiä kuin joku kaukainen fysiikka. Milla miettii silti suorittaisiko ensikevään ylioppilaskirjoituksissa fysiikan kokeen, kun hän on kuitenkin pärjännyt hyvin matematiikassa. Fysiikasta ei mielestään ole ymmärtänyt mitään, mutta tyyppitehtävillä on kokeista kyllä selvitty. Milla vilkaisee ulos ja huomaa, että ikkunaan on alkanut muodostua jääkiteitä. Niillä on yhteys Universumin alkuaikoihin, joista Milla ei vielä tiedä mitään.

– Milla, fysiikka kertoo, millaisessa maailmassa elät, isä toteaa ja huomaa, ettei ajatus innosta tyttöä. Milla ajattelee, ettei fysiikalla ei ole mitään tekemistä hänen maailmansa kanssa.

Isä päättää kertoa Millalle talvisena iltapäivänä tarinaa maailmasta eli fysiikasta suuresta pienimpään ja päinvastoin. Ne ovat lopulta yhtä ja samaa ja me kaikki siinä myös mukana.

– Oletko miettinyt missä elät? Elät toki maapallolla, mutta se kyntää tietään avaruuden halki. Avaruuden, jossa melkein kaikki on erilaista kuin miltä sinusta tuntuu.

...

Mitä avaruus on?

Tieteiskirjailija Douglas Adams on kuvannut avaruuden suunnatonta kokoa, jota tässä vapaasti muokaten: Avaruus on suuri. Todella suuri. Et voi uskoa miten jättimäisen järjettömän mieliä räjäyttävän suuri se on. Mielestäsi matka Tapiolasta Tikkurilaan on suuri, mutta avaruus on vielä suurempi.

Kun puhun avaruudesta, tarkoitan Universumiamme, jota jotkut kutsuvat maailmankaikkeudeksi. Sana universumi pohjautuu latinan sanoihin unus kaikki ja versus yhteen kääntynyt. Se on kaiken ja kaikkien yhteyden ilmaisu. Tässä Universumissa olemme kaikki samojen lakien alaisia – fysiikan lakien. Jopa rikolliset joutuvat noudattamaan sen lakeja. Onko Universumi ihan ylimainostettu juttu vai huikea selviytymistarina? Siitä koitamme ottaa selvää.

En nyt kerro oikeastaan tähtitieteestä, vaan niistä asioista, jotka vaikuttavat sen olemukseen ja koostumukseen sekä tietysti meihin kaikkiin, sillä olemme merkittävä – omasta mielestämme – osa paikallista avaruutta.

Kerron lyhyesti valtaisan avaruuden rakenteesta. Joudumme hakemaan ymmärrystä kaikkein pienimpien osasten, alkeishiukkasten, kautta suuren kuvan hahmottamiseksi. Aika puhuttaa meitä aina. Tässäkin tarinassa moneen otteeseen ja eri suunnista unohtamatta oman mielemme, subjektin kokemaa aikaa, josta fyysikot voivat olla toista mieltä. Voit lopulta hämmästyä, että tarinamme fysiikasta johtaa meidät aivan elämän alkuun ja tietoisuuden olemukseen ja lopulta totuuden ja tiedon väliseen ristiriitaan.

...

– Milla, millainen avaruus mielestäsi on?

– Joka suuntaan varmaan paljon tähtiä tasaisesti, vastaa Milla.

– Kuvasi avaruudesta ei ole aivan oikea. Avaruus on itse asiassa melkoisen kokkareinen. Tähtiä ei ole tasaisesti, vaan ne keskittyvät toistensa lähelle.

...

Muistat, että Aurinkomme on tavallinen tähti planeettoineen. Aurinko on yksi tähti noin parinsadan miljardin muun tähden joukossa omassa galaksissamme, jota sanotaan Linnunradaksi. Linnunradan halkaisija on noin satatuhatta valovuotta, joten sen toiselta laidalta meille tuleva valo lähti kaukaisista tähdistä liikkeelle, silloin kun ihmiset alkoivat hiippailla Afrikasta Euroopan suuntaan ja vähän myöhemmin alkoivat tapailla neandertalilaisia treffien merkeissä. Kierrämme Linnunradan kerran 230 miljoonassa vuodessa. Linnunradan vuosi sitten alkoivat ensimmäiset dinosaurukset liikuskella maan kamaralla.

Galaksit ovat avaruuden perusyksikköjä. Ne muodostavat puolestaan joukkoja. Omaan joukkoomme kuuluu viitisenkymmentä galaksia, joista me olemme toiseksi suurin heti kaverigalaksimme Andromedan jälkeen. Andromeda, joka näkyy paljain silmin sumumaisena kohteena pimeällä seudulla, on tulossa meitä kohti. Se tulee törmäämään meihin muutaman miljardin vuoden päästä, mutta se ei liene kuin tilastollinen ongelma. Sen verran harvassa tähtiä on galaksien törmätessä. Eli 70-luvun kulttielokuva Andromeda uhkaa ei ole kovin akuutti ongelma. Andromedaan on matkaa 2,3 miljoonaa valovuotta, joten sieltä tuleva valo lähti, kun ihmisiä ei vielä ollut, mutta kahdella jalalla astuvia esi-isiämme kyllä. Eteläiseltä pallonpuoliskolta näkyy paljain silmin Magellanin pilvet, jotka ovat pieniä lähigalakseja. Magellanin pilvet ovat meistä 158000 valovuoden päässä, joten sieltä silmiimme tuleva valo lähti, kun ihmiset asuttivat vasta vain Afrikkaa ja Maan valloitus ei ollut vielä alkanut. Ihmisiä oli noina hetkinä ajoittain vain kourallinen, ehkä muutamasta sadasta tuhanteen. Se oli tiukka hetki ihmisille. Tuleeko uusi?

…

Milla muistaa, että Tähtien sota elokuva perustui kaukaiseen galaksiin ja miettii,

olisiko Tähtien sota Andromedasta peräisin, vaikka galaksin piti olla kaukainen.

Riittääkö 2,3 miljoonaa valovuotta?

…

Galaksijoukot kokoontuvat suuremmiksi joukoiksi eli klustereiksi ja ne lopulta rihmamaisiksi superklustereiksi, jotka ovat Universumimme suurimmat rakenteet. Siinä se on pikaisesti kuvattuna: koko Universumi eli tähdet, galaksit ja galaksijoukot. Superklusterien välissä on melkoisen tyhjää tilaa. Avaruus ei siis ole tasainen, vaan klimppiytynyt kuin kahviin sekoitettu vanha maito ja nauhamainen kuin serpentiinit vappuna.

...

Tämä oli Millalle uutta. Hän oli luullut, että avaruudessa on joka suuntaan tasaisesti tähtiä. Millan ei kannata hävetä, sillä niin Einsteinkin luuli.

...

Voiko avaruutta olla olemassa ilman materiaa? Jos aine loppuu johonkin suuntaan mentäessä, niin jatkuuko avaruus sen jälkeen? Pystymme tekemään kysymyksiä, joihin on hieman hankala vastata. On luultavaa, että jos meillä ei ole ainetta, ei meillä ole avaruuttakaan. Avaruus syntyy kappaleiden välille. Et voi laskea mitään etäisyyttä, jos ei ole kappaleita. Jos ei ole etäisyyttä eli se on 0 tai määrittelemätön, ei myöskään ole avaruutta. Avaruus voidaan määritellä paikkana, joka muodostaa tapahtumakentän kappaleiden välisille suhteille – aivan kuten Love Island suosikkisarja muodostaa tilan parisuhteille.

Avaruus voi olla laakea tai käyristynyt johonkin suuntaan. Ajattelumme ei kunnolla voi näitä käyryyksiä hahmottaa, kun aistimme on viritetty tajuamaan paremmin ruoan ja kumppanin hankintaan liittyviä asioita kokemuksemme mukaisessa kolmiulotteisessa maailmassa, jossa liikumme valon nopeuteen verrattuna vähäisellä nopeudella. Kolmiulotteinen maailmankuvamme ei pidä paikkaansa, mutta sillä täytyy pärjätä, mitä on annettu. Lisää outoutta tulee avaruuteen, kun toteamme, että tyhjä avaruuskaan ei ole tyhjä. Tähän palaamme myöhemmin, sillä monet asiat selviävät pala kerrallaan.

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan Universumin energiatiheys – siis ainemäärä – vaikuttaa siihen, kuinka paljon avaruus on käyristynyt. Mittauksin on selvitetty energiatiheyden vastaavan sellaista määrää, että avaruus kokonaisuutena ei ole käyristynyt, vaan laakea tai tasainen. Painovoiman aiheuttama avaruuden paikallinen kurvikkuus on silti olemassa. Avaruuden tiheys on mittausten mukaan noin viisi vetyatomia kuutiometrissä. Jos tiheys olisi kuusi tai neljä vetyatomia kuutiometrissä avaruus olisi kurvikkaampi. Se on pienestä kiinni. Olisiko tuo vain sattumaa?

Laakea avaruus, on juuri sellainen, millaiseksi avaruuden todennäköisesti mielessäsi ajattelet. Se on kolmiulotteinen tila, jossa valonsäteet kulkevat suoraan – ellei gravitaatio niitä paikallisesti taivuttele. Kaareutuva avaruus taivuttaisi myös valon kulkua, joko säteitä poispäin toisistaan, tai valonsäteitä toisiaan kohti. Voit verrata tilannetta Maapalloon, jossa pituuspiirit yhdistyvät pohjois- ja etelänavoilla. Satulapinnassa käy päinvastoin. Suljetun universumin kaarevuus on positiivinen ja se vastaisi edellistä pallopintaa, kun taas negatiivinen kaarevuus, kuten satulapinta, johtaa avoimeen universumiin. Suljetussa universumissa voisit periaatteessa nähdä takaraivosi, kun katson tarpeeksi kauaksi avaruuteen. Laakean avaruuden kaarevuus on nolla. Emme tiedä mitään pakottavaa syytä, miksi eläisimme juuri sellaisessa, vaikka juuri siellä näyttäisimme elävän. Meille tutussa koulugeometriassa kolmion kulmien summa on 180°. Positiivisessa avaruudessa, kuten maapallon pinta, kolmion kulmien summa on yli 180° ja negatiivisessa alle. Voit ajatella päiväntasaajalta piirretyksi kaksi viivaa pituuspiirien mukaisesti kohti pohjoisnapaa. Päiväntasaajalta lähtevät viivat muodostava 90° kulman päiväntasaajan kanssa, jolloin pohjoisnavalla olevan kulman ollessa nollaa suurempi, kolmion kulmien summa yli 180°.

...

Milla ei ymmärrä miten kolmion kulmien summa voi olla maapallolla yli 180° ja hakee kaapista vanhan karttapallon. Sitä hetken zoomailtuaan hän uskoo esitetyn väitteen. Fysiikassa moni väite tuntuu ensin oudolta, mutta sisäistämisen jälkeen aivan ilmeiseltä.

...

Ajattelemme helposti, että neliulotteinen aika-avaruus olisi jossain kaukana avaruudessa. Se on juuri tässä ja nyt, tai oikeastaan ei nyt, sillä nyt on vaikea ajan hetki. Jotkut fyysikot sanovat, että koko Universumi on olemassa sen alkuräjähdyksestä hamaan loppuun asti samanaikaisesti. Samanaikaisuutta ei kuitenkaan ole – on aika-avaruus. Jos menet treffeille Tikkurilaan, liikut aika-avaruudessa. Voit sopia, että tapaat Paten klo 19.30, mutta jos et sovi myös paikkaa, ette kohtaa. Tarvitsemme neliulotteisen aika-avaruuden koordinaatit ihan peruselämässä.

Avaruuden nopeimmasta kulkijasta ei ole epäselvyyttä. Se on valo eli sähkömagneettinen vuorovaikutus. Valo on fotoneja, jotka ovat yhtä aikaa sekä hiukkasia, että aaltoliikettä. Ei ole mitään muualta johdettavaa syytä miksi valon nopeus n. 300000 km/s, on mikä on. Toisenlaisessa maailmankaikkeudessa voisi olla toisenlainen valon nopeus. Emme siis tiedä mikä määrittää tuon nopeuden. Se on kuitenkin kaikkeen vaikuttava, sillä valo ja muu sähkömagneettinen aaltoliike muodostaa kommunikaatioverkoston Universumin atomien välille. Mikään informaatio ei voi kulkea sitä nopeammin. Jokin voi silti ilmentyä nopeammin, vaikka informaatiota ei siirtyisi – siitä alkeishiukkasten yhteydessä!

Valo on meille ajan viestin tuoja. Katsomme kaukaisiin tähtiin ja näemme ne sellaisena kuin ne olivat vuosituhansia, -miljoonia ja -miljardeja sitten. Kun katsot Pateen treffeillä, näet hänet sellaisena kuin hän oli muutama sekunnin miljardisosa sitten. Kuulet hänen puheensa vielä hyvin paljon myöhemmin.

Valo on kuin tutkimusmatkailija, joka kulkee avaruuden halki. Tähdistä lähteneet valon hiukkaset, fotonit, pommittavat meitä yötä päivää – ainakin ollessamme ulkona kirkkaan taivaan alla. Yötä päivää sillä päivälläkin on taivas täynnä tähtiä, vaikka emme niitä havaitse omin silmin. Tähdistä lähteneet fotonit eivät päivällä erotu auringon valtavan valotulituksen seasta eikä nykyään juuri yölläkään kaupunkien valosaasteen takia. Yöllinen tähtitaivas pimeällä seudulla on huikea kokemus Linnunratoineen; suosittelen.

Meidät sitoo aika-avaruuteen ja mahdollisuuteen mennä treffeille lepomassamme. Massa estää meitä huiskimasta pitkin avaruutta valon nopeudella ja samalla ilman mahdollisuutta kokea aikaa, jota ei vain olisi saatavilla. Tämä juuri on fotonin kohtalo. Aika ja avaruus lyövät koko ajan kättä alkeishiukkasten kanssa. Emme voi tarkastella avaruuden tapahtumia ilman ymmärrystä kaikkein pienimmistä asioista eli alkeishiukkasista. Avaruus, aika ja alkeishiukkaset, ei AA-kerho, vaan kolmen A:n kerho yhdistyivät myös aikojen alussa samaan pisteeseen.

Kuvasin edellä hieman avaruuden ominaisuuksia, jotka voivat tuntua osin kaoottisilta. Tietoa meitä ympäröivästä todellisuudesta pitää kuitenkin lähteä kasaamaan jostain nurkasta. Kokonaisuus kostuu suurista linjoista ja pienistä detaljeista. Fysiikassa ne yhdistyvät matematiikan avulla muodostaen rakennelmia, jotka kertovat miltä asiat mitattuina ja perusteellisesti pohdittuina näyttävät.

…

Isä on todennut, että Milla käy joka aamu pitkällisen kylppärioperaation aikana myös vaa’alla.

– Tiedätkö Milla, mitä oikeastaan aamuisin mittaat? isä kysyy. – Alamme nyt matkan kohti fysiikkaa.

…

Massa ja massa

Kumpikaan yllä olevan otsikon massoista ei viittaa formulakuski Felipe Massaan vaikka, kun lähdet pihasta isän Audilla kiihdyttämään Pohjantietä, tunnet, kuinka selkäsi painuu istuinta vasten. Tätä ilmiötä kuvaa – ei Isac Elliotin – vaan Isaac Newtonin toinen laki:

F = ma,

jossa F on voima, m=massa ja a=kiihtyvyys. Mitä enemmän on voimaa, sitä enemmän kiihtyvyyttä. Newton oli hemmo, joka istui omenapuun alla ja keksi painovoiman, kun omena tippui päähän. Juttu ei pitäne paikkaansa eli on Fake News, vaikka Newton itse tarinaa kertoili. Hän osasi mediapelin jo silloin. Tarina omenasta on sinänsä hyvä stoori ja painovoima eli gravitaatio oli tietysti jo olemassa. Tieteen historian merkittävimpiä miehiä tuo fysiikan lakien laatija joka tapauksessa oli. Hän kehitti fysiikan kaavojen lisäksi inhottua differentiaali- ja integraalilaskentaa, kun tarvitsi fysiikkaansa apukeinoja. Newton oli hankala myös luonteeltaan – ei pelkästään matematiikaltaan. Isaac Newton ei saanut sukunimeään voiman yksiköstä Newton, vaan pikemminkin toisinpäin.

Newtonia voidaan pitää kaikkien aikojen fyysikkona, joka pärjäisi fyysikkojen television supertähdet sarjassa varmasti hyvin. Hän ponnisti sen aikaisesta tasosta melkoisesti ylöspäin ja osoitti, että henget eivät ohjaile taivaankappaleiden liikkeitä. Sen sijaan matematiikka kuvaa miten liikkuvat kappaleet käyttäytyvät ja mikä niiden tila on hetken päästä. Matematiikka vähensi jumalien jatkuvaa ohjailua, vaikka Newton itse oli uskontoon suopeasti suhtautuva. Hänelle matematiikka kuvasi jumalan toimintatapaa. Hän puuhasteli myös alkemian kanssa hämärien työhuoneidensa uumenissa. Tieteen tekijälle vähän oudot harrastukset eivät estäneet häntä luomasta yhtä ihmiskunnan merkittävimmistä tieteellisistä saavutuksista eli teostaan Principia eli Philosophie Naturalis Principia Mathematica vuonna 1687. Newton kiisteli myöhemmin toisen matematiikkaneron Gottfried Leibnizin kanssa, kumpi heistä kehitti integraali- ja differentiaalilaskennan. Leibnizistä voi tosiaan sanoa, että hän oli kaikkien alojen erikoisasiantuntija, joka tuohon aikaa oli vielä mahdollistakin. Matematiikan ja fysiikan osaaminen ei millään tavalla tee ihmisistä helpompia kuin muut. Usein tietävämpiä kyllä.

Newtonin ensimmäinen laki eli inertialaki koski kappaleen liiketilaa ja sen muutosta. Kappale jatkaa liikettään tai pysyy paikallaan, jollei siihen vaikuta voimia. Tämä oli luonnollinen seuraus Galileo Galilein, loistavan fyysikon ja mittausten tekijän, kokeista, joissa hän vieritti pallo kaltevilla tasoilla, joita voi nähdä suositeltavassa Galileo-museossa Firenzessä. Hän havaitsi, että pallo kiihtyy alamäessä ja hidastuu ylämäessä. Tämä ei liene kenellekään yllätys, mutta johtopäätökset vaativat ajattelua. Niistä tuloksista voidaan nimittäin ymmärtää, että tasaisella pallon pitäisi jatkaa vakionopeudella eteenpäin. Niin asia onkin, jollei siihen vaikuta voimaa nimeltä kitka (ja muita voimia kuten ilmanvastus).

Newtonin kiihtyvyyttä kuvaavassa kaavassa massa edustaa aineen ominaisuutta vastustaa liiketilan muutosta. Kappaleilla on taipumus jatkaa tasaista liikettä, ellei niihin kohdistu jokin voima. Samoin käy paikoillaan olevalle kappaleelle, joka vastusta paikallaan olonsa muutosta, kun siihen kohdistuu voimia. Tätä massan ominaisuutta kutsutaan massan hitaudeksi eli inertiaksi.

...

Formulakuski Felipe Massan hitaus oli eri asia. Joidenkin mielestä työttömyyspäivärahoilla olevien vastustusta paikallaan olonsa muutosta vastaan kutsutaan laiskuudeksi. Isä ei toki ole tätä mieltä, vaan sitäkin voidaan kutsua vaikkapa inertiaksi.

Millalle politiikka on huolta ilmastosta.

...

Liikkeen suhteellisuutta pohtivat monet fyysikot Galileo Galileista, joka usein liitetään Pisan tornista tiputettuihin esineisiin. Sekin saattaa olla vain hyvä tarina, mutta kuvaa fysiikan kokeisiin perustuvaa alkutaivalta. Jos olet isossa laivassa hyvin äänieristetyssä hytissä ilman ikkunoita ja laiva etenee aivan tyynessä vedessä (ja ilman GPS-laitetta), niin voitko jollain kokeella selvittää liikutko?

...

Milla miettii, mutta ei keksi ratkaisua. – Se on oikea ratkaisu, sanoo isä.

...

Nopeus täytyy aina sitoa johonkin mittatikkuun. Meille on tyypillistä, että sidomme nopeuden esimerkiksi maanpintaan. Näin poliisi voi laittaa tutkansa ajonopeuksiamme mittaamaan. Nopeus on myös vektorisuure, joka tarkoittaa, että sen suunta on huomioitava. Jos ajat kohti Tikkurilaa 60 km/h ja minä kohti Espoon Ikeaa 60 km/h, niin millä nopeudella etäännymme toisistamme? Sen laskemiseksi meidän täytyisi tietää tarkka suuntamme, joka mutkittelevilla teillä koko ajan vaihtelee. Yleensä liikeopin todelliset ja tarkat laskut johtavat vielä differentiaalija integraalilaskentaan.

Kun olet kurvaamassa Tapiolan liikenneympyrässä tiukassa vasemmassa kaarteessa, kohdistui sinuun vanhaan hyvään aikaan keskipakovoima. Nykyään sinuun kohdistuu keskihakuvoima. Kysymys on saman asian eri puolista. Kun kiihdytät, voima kohdistuu eteenpäin, mutta selkäsi mielestä se kohdistuu taaksepäin eli oma kokemus ja voiman suunta poikkeavat. Keskipakovoima on näennäinen voima, joka johtuu massan hitaudesta eli kyvystä vastustaa liiketilan muutosta. Keskihakuvoima on aito voima, joka pitää kappaleen ympyräliikkeessä ja kohdistuu kohti ympyrän keskipistettä. Kun pyörität kiveä narun päässä, naru aiheuttaa kiveen keskihakuvoiman. Mitä tapahtuu auton sisällä kaarteessa heliumilmapallolle? Se ei pyrikään ulkokaarteeseen, vaan sisäkaarteeseen, kun sitä raskaampi ilma tunkee ulkokaarteeseen, kuten sinä. Keski-whatever-voima johtuu myös massan hitaudesta. Massa tykkää pitää olotilaansa ennallaan.

...

Milla muistaa, että sai paljon tykkäyksiä, kun kertoi kavereilleen Facebookissa, että on menossa treffeille. Fysiikka on ihan – whatever-evvk.

...

Ympyräliikkeen voimista voimme ymmärtää, että nopeuden suunnan muutos on kiihtyvyyttä. Ympyräliikkeen kautta Newton kehitti teorioitaan.

Newton sai aikaan melkoisen rytinän käsityksessämme avaruudesta jo satoja