Tyhjiö

Yksi fysiikan mielenkiintoisimmista olioista on tyhjiö. Voisi ajatella, että tyhjiö on tila, jossa ei ole yhtään mitään. Joten mitä mielenkiintoista siinä nyt sitten on? Ei mitään, tyhjä, vapautettu kaikesta mahdollisesta ja mahdottomasta, puhdas olemattomuus,  null, zero, nothing. Ihan puhdasta tyhjiötä on tietenkin vaikea tehdä koska avaruudessakin on pikkasen vetyatomeita ja tietenkin 2.7 Kelvinin lämpöinen kosminen taustasäteily. Laboratorioissa päästään lähimmäksi puhdasta tilaa, jossa ei ole yhtään hiukkasia.  Nykyfysiikan käsityksen mukaan puhtaassa tyhjiössä on kuitenkin harvinaisen paljon säpinää ja kuhinaa ollakseen tila, jossa ei olisi mitään. Ja totta kai kesällä paljon palstatilaa saanut Higgsin bosoni liittyy tähän(kin).

Yksi esimerkki siitä, että tyhjästä voi nyhjästä on Unruhin ilmiö. William Unruh ennusti vuonna 1976, että kiihtyvässä liikkeessä oleva havaitsija huomaakin, että tyhjiö lämpenee! Lämpeneminen on tietenkin hyvin pientä ja esimerkiksi Maan gravitaation aiheuttamalla kiihtyvyydellä lämpeneminen olisi vain 0.00…(19 nollaa)…004 astetta absoluuttisesta nollapisteestä. Mutta riittävän suurella voimalla kun vain jaksaa kiihdyttää kappaletta niin lämpenemisellä ei ole rajaa.

Unruhin ilmiö ja kaikki muutkin tyhjiöön liittyvät outoudet selittyvät sillä, että kvanttifysiikassa tyhjiö ei olekaan ihan tyhjä vaan siinä on alkeishiukkaskenttien fluktuaatioita (värähtelyä) vaikka hiukkasia ei olisikaan. Tätä kutsutaan nollapistefluktuaatioiksi. Koko jutun juju on siinä, että nämä nollapistefluktuaatiot voidaan joskus muuttaa hiukkasiksi. Yksi prosessi missä tämän on ajateltu tapahtuvan on Hawkingin säteily. Stephen Hawking osoitti samoihin aikoihin kun Unruh, että mustasta aukosta karkaakin hieman säteilyä vaikka mustan aukon työ on olla  nielu, josta mikään ei karkaa. Säteily johtuu siitä, että mustan aukon tapahtumahorisontin lähellä valtavassa gravitaatiokentässä tyhjiöön muodostuu fluktuaatioiden takia virtuaalisia hiukkaspareja, joista toinen tippuu mustaan aukkoon, mutta toinen karkaakin ulos. Hawkingin säteily liittyy Unruhin ilmiöön siten, että mustan aukon säteilylämpötila vastaa juuri Unruhin lämpötilaa kun suhteellisuusteorian ekvivalenssiperiaatte otetaan huomioon.

Normaalisti kenttien nollapistefluktuaatiot katoavat keskimäärin tyhjiössä, eli tyhjiössä kentät värähtelevät vain nollan ympärillä. Voisi siis ajatella, että okei, tyhjiö ei siis ole ihan tyhjä, mutta kyllähän tyhjiö on ainakin keskimäärin tyhjä. Taaskin väärin. Tyhjiössä on olemassa kenttä, joka ei katoa edes keskimäärin. Se on tähän kuuluisaan Higgsin bosoniin liittyvä Higgsin kenttä. Tyhjiössä Higgsin kentällä on äärellinen energia, 246 GeV, jota se ”lainaa” alkeishiukkasille ja antaa niille siten massaa.

Tyhjiössä on siis niin paljon häppeninkiä, että tyhjiön energian arvioidaan muodostavan suurimman osan maailmankaikkeuden energiasta, sen osuuden jota sanotaan pimeäksi energiaksi. Ongelma nykyfysiikassa on tosin se, että kvanttimekaniikasta laskettu arvio tyhjiön energialle on suurempi kuin kosmologien mittaama pimeä energia. Ero ei ole mikään pieni kerroin 2 tai 3 vaan suuruusluokka on luku jossa on ykkönen alussa ja sitten 120 nollaa. Tämä ongelma tunnetaan fysiikassa nimeltä vakuumikatastrofi. Tyhjiön fysiikka tunnetaan niin huonosti, että nykyiset teoriat antavat aivan katastrofaalisen väärän ennusteen tyhjiön energialle, ”maailmanhistorian huonoin fysiikan teoria”. Pienehkö ongelma siis nykyfysiikalle selittää mistä tämä johtuu.

Nykyään on olemassa jo kokonainen fysiikan alalaji, jossa ollaan kiinnostuneita tyhjiön kaltaisista tiloista. Nollapistefluktuaatioiden vaikutuksista ovat kiinnostuneita kosmologien ja kvanttigravitaatioteoreetikoiden lisäksi kvanttioptikot ja tiiviin aineen fyysikot. Jälkimmäiset voivat luoda laboratoriossa vaikka akustisia mustia aukkoja. Kuulostaa vaaralliselta, mutta oikeasti kysymyksessä on vain harmiton systeemi, jossa ääni ei voi paeta nesteestä, joka liikkuu nopeammin kuin ääniaallot. On ennustettu, että näissä systeemeissä voidaan havaita Hawkingin säteilyn tapainen analoginen ilmiö.

Kaiken ylläolevan valossa aiheellinen kysymys voisi olla, että ”miksi tyhjiö ei ole tyhjempi???” tai ”saako tyhjiöstä mitenkään tyhjempää?” Vastaus tähän saattaa olla, että fysiikan lait eivät salli tyhjempää tyhjiötä. Vähän radikaalimmat tulkinnat sanovat, että koko maailmankaikkeus muodostui tyhjiöstä Big Bangissa – ja tulee siis päätymään takaisin samaan tyhjiöön kuin mistä tulikin.