Picked up for you, 6/2010

  • Hayabusa luotaimen dramaattinen matka päättyi sitten Maan ilmakehään Australian yläpuolella. Luotain paloi poroksi, mutta näytekapseli saatiin talteen suunnitelman mukaisesti. Nyt toive on, että vaikeuksista huolimatta pöntössä olisi edes murunen Itokawa asteroidia. Päivitin edelliseen postaukseen kuvia ja videoita Hayabusan viimeisistä hetkistä.
  • Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan hissiin suljettu onneton matkustaja ei pysty edes teoriassa tietämään putoaako hissi vapaassa pudotuksessa gravitaatiokentässä vai hoveroiko se paikallaan avaruudessa (ainakaan ennen kuin hissi törmää mihinkään). Tämä on se kuuluisa ekvivalenssiperiaate, joka käytännössä tarkoittaa sitä, että gravitaatiomassa ja Newtonin II laissa F=ma oleva kerroin m (inertiaalimassa) ovat prikulleen samat. Mutta teoreetikot ovat pitkään spekuloineet, että mitä jos kuitenkin olisi edes pieni ero? Ees ihan ihan ihan pikkasen? Mikään ei estä kehittämästä teorioita, joissa voiman aiheuttama kiihtyvyys olisi pikkasen erilainen esimerkiksi erilaisille esineille. Legendan mukaan Galileo viskeli esineitä Pisan tornista ja totesi, että suurempimassainen esine kiihtyy aivan yhtä lujaa kuin pienimassainen esine. Mutta päteekö sama kvanttienkin maailmassa erilaisten hitujen, eksoottisten kvanttitilojen yms. kohdalla? Tämä on enemmän kuin vaan pilkunviilausta, sillä Einsteinin gravitaatioteoriaa ei olla onnistuttu yhdistämään kvanttiteoriaan ja kenties kvanttien maailmassa jotain eroa tulisi esille. Jo nyt monet fyysikot ajattelevat, että Einsteinin teoria, joka on oleellisesti klassinen teoria, olisi efektiivinen teoria, mutta kvanttiteoria olisi paljon syvällisempi luonnon periaate. Bremenissä ollaan valmisteltu supertarkkoja kokeita ekvivalenssiperiaatteelle pudottamalla pönttöön suljettu kasa kylmiä atomeita ja mittalaitteita 140 metrisestä tornista. Kylmät atomit muodostavat Bose-Einstein kondensaatin ja sitä voi kuvata yhdellä jättilaiskokoisella kvanttitilalla. Pudotuksen aikana ekvivalenssiperiaate sanoo, että kvanttitila on kuin painottomassa tilassa muutaman sekunnin kunnes törmää lattiaan 50 g kiihtyvyydellä. Pönttö on onneksi suunniteltu kestämään tämän cräshin. Tarkoituksena on tulevaisuudessa testata interferenssin avulla kvanttitilan ominaisuuksia joka takaisi ekvivalenssiperiaatteen testaamisen kvanttimekaanisella tilalla monta kertaa tarkemmin kuin mitä tällä hetkellä voidaan tehdä.
  • CERN:issä etsitään kuumeisesti Higgsin bosonia, mutta kuka onkaan tämä Higgs? Kyseessä on Peter Higgs, joka Edinburghissa 1960-luvulla tutki sitä, miten alkeishiukkaset saavat massansa (ja miksi jotkut, kuten esimerkiksi fotoni, on massaton). Saako hän sitten nobelin, jos/kun Higgsin bosoni löytyy? Kyseessä olisi tietenkin nobelin arvoinen löytö, mutta kuka Higgsin bosonin oikeastaan ennusti? Higgsin kanssa saman ongelman kanssa tekivät töitä muutkin suuret nimet teoreettisessa hitufysiikassa kuten Kibble, Englert, Brout, Hagen ja Goldstone (ja he ovat kaikki vielä hengissä). Higgsin bosonin teoria oli kasassa jo vuoden 1964 lopussa, mutta nimi ”Higgsin ja Kibblen mekanismi” alkaa esiintyä papereissa vasta vuonna 1972 ja myöhemmin pelkkä ”Higgsin mekanismi”. Naturen kirja-arvostelussa käsitellään Ian Samplen kirjaa Massive: The Hunt for the God Particle ja todetaan, että jos CERN vahvistaa Higgsin bosonin löytyneen näillä herroilla on kaikilla varmasti hyvä syy jännittää tuleeko puhelu Tukholmasta. Esimerkiksi Jeffrey Goldstone ennusti, että kvantittuneita bosoneita syntyy aina kun jokin jatkuva symmetria on spontaanisti rikkoutunut. Niitä esiintyy varsinkin mun omalla alalla tiivin aineen fysiikassa, jossa Goldstonen teoria selittää fononien ja spin-aaltojen synnyn. Goldstonen bosonit melkein kelpasivat vuorovaikutuksen kantajiksi hitufysiikassa, mutta ongelma oli se, että Goldstonen bosonit ovat kaikki massattomia. Heikon vuorovaikutuksen olemassaolon takia tarvittiin mekanismia, joka tekisi mittakentän Goldstonen bosoneista massallisia. Vain tämä pitäisi heikon vuorovaikutuksen kantaman lyhyenä. Higgs ja kumppanit ennustivat, että ongelma ratkeaa, jos oletetaan, että on olemassa yksi kenttä lisää; skalaarikenttä, jonka kanssa heikon vuorovaikutuksen välittäjähidut kytkeytyvät. Skalaarikenttä antaa mittakentän bosoneille massan, joka selittää sen, että heikon vuorovaikutuksen kantama on hyvin lyhyt. Tämän skalaarikentän oma hiukkanen on puolestaan tämä pitkään metsästetty Higgsin bosoni. Usein käytetyn koktailukutsuanalogian mukaan Higgsin kenttä on kuin ihmisiä täynnä oleva huone jonka poikki pitäisi päästä. Siinähän kuluu aikaa jutellessa, töniessä ja ekskusatessa eikä huoneen poikki pääse kovin nopeata kun kaikki haluavat vaihtaa kuulumisia. Vastaavalla tavalla hitu ei skalaarikentässä vuorovaikuttaessaan pääse etenemään nopeasti mikä vastaa sitä, että hitu saa massan harteillensa. Higgsin bosoni on taas tämän skalaarikentän kvantti, jota voi verrata siihen että huoneen ihmisten keskuudessa muodostuu vähän kuin mexican wave. Nobelin palkinnon jakava komitea on siis mahdollisesti ongelman edessä, että palkitakko hänet, joka ennusti munan, vai hänet, joka ennusti kanan, vai kenties hänet, joka ennusti, että munasta tulee kana, vai jopa hänet, joka ennusti, että kanasta tulee muna. Tuo Higgsin bosonin teoria on muuten taas yksi esimerkki siitä, että tyhjö ei olekaan tyhjä, koska Higgsin skalaarikentän tyhjön odotusarvo on 246 GeV (noin 285 protonin massaa). Kvanttimekaniikkaa ei pääse karkuun edes sellaseen paikkaan missä ei ole maalaisjärjen mukaan yhtään mitään.
  • Edit: Laitetaan vielä tämä uutinen tähän : BBC ja kaikenmaailman uutimet kertovat, että Fermilabissa USA:ssa oltaisiin saatu ehkä viitteitä siitä, että CERN voisikin löytää Higgsin bosoneita mahdollisesti jopa 5 kpl yhden hinnalla! Varotetaan nyt heti, että tämä on enemmän publicity stunt kuin todellista fysiikkaa. Periaatteessa on olemassa teorioita, joissa Higgsin bosoneita on enemmän kuin yksi, mutta se kuinka monta Higgsin kenttää oikeastaan on olemassa riippuu siitä, minkälaiselta tulevaisuuden fysiikan teoriat näyttävät. Eli kysymyksessä on lähinnä spekulaatioita ja puntarissa on enemmän estetiikka ja intuitio kuin tieteelliset menetelmät. Teoreetikot ovat esimerkiksi pitkään tietäneet, että jos (siis JOS) luonto on supersymmetrinen (eli kaikilla bosoneilla on fermionikaveri ja kaikilla fermioneilla on bosonikaveri, vaikka niitä ei vielä oltaisikaan löydetty) niin Higgsin bosoneita on enemmän kuin yksi. Fermilab julkaisi preprintin, jossa evidenssi tuosta 5 Higgsin skenariosta on 3 sigman luokkaa ja paprussa kirjoitettiin, että jos tämä evidenssi yhdistetään erääseen toiseen (2 sigma-) evidenssiin myös Fermilabin kokeessa niin 99.9% varmuudella tämä on case. Myöhemmin tuo jälkimmäinen 2 sigma evidenssi tarkemmissa kokeissa huomattiinkin vain statistiseksi poikkeamaksi, joka katosi kuin tuhka tuuleen. Nyt tutkijat ovatkin jo vähän varovaisempia sanamuodoissaan, eli ehkä tässä ei olekaan keissiä. Köh köh. Siis tämä taas osoittaa sen kuinka epätoivoinen uusien tuloksien metsästys statistiikan avulla voi tuottaa vääriä hälytyksiä. Todennäköisyyden lait sanovat tylysti, että jos etsit vain poikkeamaa, niin mitä enemmän dataa käyt läpi sitä suuremmalla todennäköisyydellä löydät jonkun kokeen, jossa löytyy sattumalta poikkeama. Tilanne menee vielä hankalammaksi, jos ei ole mitään Bonferroni-kriteeriä millä korjata ennustuksiaan ottamaan tämän huomioon. Yleensä fysiikassa otetaan kylmästi vain varman päälle ja laitetaan korkea 5-sigma raja uudelle fysiikalle. Tälle 3-sigmalle voi siis korkeintaan nostaa yhden kulmakarvan kuten Spock.
Mainokset