Suomalaisilta solmuratkaisu alalla, jolta Einstein aikoi vetää pohjan pois
Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet matemaattisesti todistamaan hämmentävän kvanttimekaniikan ilmiön ensimmäisinä maailmassa.
Kvanttimekaniikka on fysiikan aloista kenties arkijärjen vastaisin. Ala tutkii atomi- ja tätä pienemmän tason ilmiöitä. Arkijärjen vastainen esimerkki on vaikkapa se, että hiukkanen voi olla yhtä aikaa sekä positiivisesti että negatiivisesti varautunut ja vaikuttaa sen mukaisesti, mutta kun sitä havainnoidaan, se on vain joko positiivinen tai negatiivinen.
Suomalaisvoimin todistettiin Borromeon renkaina tunnetun geometrisen kuvion soveltaminen kvanttimekaniikan ilmiöön nimeltä Bosen–Einsteinin kondensaatti.
Lopputulos kertoo, että vaihteluistaan ja epävarmuudestaan tunnetussa kvanttimekaniikassa voi ilmestyä rakenteita, joita ei voi purkaa.
Borromeon renkaita Aalto-yliopisto selventää tiedotteessaan seuraavasti:
– Borromeon renkaat ovat kolmen toisiinsa linkittyvän ympyrän muodostama kuvio, jota on esiintynyt vaakunoissa jo keskiajalta lähtien. Viikinkiajalla vastaava rakenne rakentui kolmioista ja tunnettiin Odinin kolmiona. Kun yhden ympyröistä tai kolmioista poistaa, koko kuvio purkautuu, koska mitkään kaksi ympyrää ei ole kiinni toisissaan ilman kolmatta.
Asiaa voi selvittää itselleen katsomalla tarkasti oheista kuvaa (ylempänä) Borromeon renkaista. Vihreä, punainen ja sininen rengas ovat tiiviisti kiinni yhtenä kokonaisuutena. Jos yksi renkaista katoaisi yhtäkkiä, ei kuitenkaan jää linkkiä, joka pitäisi kahta muuta rengasta mistään kohtaa kiinni toisissaan.
Borromeon renkaissa ei siis ole yhtäkään Hopfin linkkiä (kuva alempana), vaikka ensimmäisellä ajatuksella luulisi. Hopfin linkissä kaksi rengasta on kiinni toisissaan niin, että aina on yksi solmukohta, joka estää renkaiden erottamisen, väänteli niitä miten tahansa.
Tutkijatohtori Toni Annala selittää ilmiötä tiedotteessa narujen ja vesipyörteiden avulla.
– Jos linkkirakenteen tekee esimerkiksi kolmesta ympyrän muotoisesta katkeamattomasta narusta, sitä ei voi purkaa, koska kiinteä aine ei voi mennä toisen kiinteän aineen läpi. Jos taas sama linkkirakenne toteutetaan vedessä, vesipyörteet voivat törmätä ja yhdistyä toisiinsa, jos niitä ei suojata. Bosen-Einsteinin kondensaatissa linkkirakenne on näiden kahden välimaastossa.
Aiemmin muut tutkijat ovat yliopiston tiedotteen mukaan todistaneet, että kaksi erilaista pyörrettä ei voi mennä toistensa läpi ilman seuraamuksia. Tässäkin tapauksessa tapahtuu muutos.
Käytännössä kvanttitason kuvio Bosen-Einsteinin kondensaatissa muodostuu niin, että pyörteet aloittavat ”vesipyörteinä” ja pääsevät toistensa läpi. Sitten ne muodostuvat ”naruiksi”, eivätkä enää voikaan erkaantua toisistaan.
Bosen-Einsteinin kondensaatti on kvanttimekaniikan ilmiö, jossa suuri määrä hiukkasia menettää energiaansa ja alkaa käyttäytyä joukkona, kuin ne kaikki olisivat vain yksi hiukkanen.
Fysiikan perusperiaatteita on se, että objekti pyrkii mahdollisimman matalaan energiatilaan. Jos hiukkaspalleroinen vaikkapa yrittäisi kavuta vuorelle, se lopulta mieluummin luovuttaisi ja antaisi itsensä vyöryä alas matalimpaan laaksoon, matalimpaan energiatilaan.
Kondensaatio on myös arkipäivän ilmiö. Ilmankosteus tiivistyy kylmään pintaan. Kylmä tila edistää kondensaatiota, sillä kylmässä liike-energiaa on vähemmän. Asian ymmärtää myös katsomalla ääripäistä alkaen: absoluuttisessa nollapisteessä hiukkaset eivät liiku ollenkaan. Pakkaskelillä järvi jäätyy, ja vesi siis liikkuu vähemmän kuin tuulisella kesäsäällä. Kiehuva vesi vasta liikkuukin. Palava tuli muuttaa polttopuun pysähtyneen potentiaalienergian miljardeissa pienissä vuorovaikutustapahtumissa liikkuvaksi, hankaavaksi kuumaksi tuleksi.
Kvanttimekaniikassakin hiukkaset haluavat päästä helpolla ja tiivistävät yhteistyötään helppouden saavuttamiseksi.
Kuten ihmisetkin modernissa yhteiskunnassa tekevät; on helpompaa, kun toimitaan yhdessä eikä yhden ihmisen tarvitse osata sekä kasvattaa ruokaa että korjata autoa ja vieläpä kutoa sukkaa.
Kondensaatti on saanut nimensä intialaisen matemaatikko-fyysikko Satyendra Bosen (1894–1974) sekä tiedeikoni Albert Einsteinin (1879–1955) mukaan. He hahmottelivat sitä yhdessä 1920-luvulla.
Einstein vaikutti tiettyjen kvanttimekaniikan ilmiöiden löytämiseen merkittävästi, vaikka tyrmäsikin alan perustuksen, Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen. Werner Heisenbergin (1901–1976) luoma periaate kertoo, että kvanttitasolla on mahdotonta määrittää tarkasti yhtä aikaa esimerkiksi hiukkasen liikettä ja olinpaikkaa.
Kvanttimekaniikka perustuu siis monella tapaa sille, että varmuutta ominaisuuksien, syyn ja seurauksen suhteissa ei ole.
Einsteinin katsotaan nykyään olleen väärässä monissa kvanttimekaniikan näkemyksissään. Hänet tunnetaan suhteellisuusteoriastaan, joka selittää avaruuden rakennetta massan, kaareutumisen ja valonnopeuden kautta. Einstein yritti luoda kaiken teoriaa yhdistämällä suhteellisuusteoria kvanttimekaniikkaan siinä onnistumatta.
Edelleen katsotaan, että kaiken teorian voi luoda yhdistämällä suhteellisuusteoria ja kvanttifysiikka. Tässä ei ole kukaan onnistunut, mutta Einstein olisi joidenkin asiantuntijoiden mukaan voinut onnistua, jos olisi lähtenyt liikkeelle kvanttimekaniikasta eikä suhteellisuusteoriasta.
Aalto-yliopiston löytö tarkoittaa sitä, että hiukkasmaailma voi muodostaessaan Borromeon renkaat luoda rikkomattoman rakenteen, joka tukee alhaista energiatilaa.
Laiskat alkeishiukkaset löytävät yhteisen alhaisen energiatilan ja alkavat toimia kuin yhtenä. Tämä tila pysyy tapauksissa, joissa hiukkasrakenteet muodostavat rikkomattomia Borromeon renkaita. Tai ainakin tilan rikkominen on tutkijoiden mukaan hyvin haastavaa.
Tuntui asia sitten vaikealta tai ymmärrettävältä, kvanttimekaniikkaan pätee aina tiedelegenda Richard Feynmanin (1918–1988) sanomaksi väitetty lausahdus.
– Jos luulet ymmärtäväsi kvanttimekaniikkaa, et ymmärrä kvanttimekaniikkaa.
Hyötyä Aalto-yliopiston löydöstä on joka tapauksessa. Hyötyä voi olla ainakin kvanttilaskennassa ja hiukkasfysiikan sekä kosmisten säikeiden tutkimuksessa.
– Yllätykseksemme näitä topologisesti suojattuja linkkejä tai solmuja ei kuitenkaan ollut aikaisemmin keksitty. Luultavasti sen vuoksi, että linkkirakenteessa tarvitaan kolme virtauspyörrettä ja näiden muodostama solmu on myös paljon monimutkaisempi kuin aikaisemmin tarkasteltu kahden pyörteen kohtaaminen, professori Mikko Möttönen kertoo tiedotteessa.