Vapaata ihmettelyä

[Kaizu]

Täsmällisempää olisi ehkä sanoa: Massa kertoo aika-avaruudelle miten kaareutua jne. Nykykäsityksen mukaan aikaa ei saada irti avaruudesta, eikä sen puoleen aineestakaan kun aine käsitetäänn laajassa muodossa (aine ja energia). Aineen olemassaolo ilman aika-avaruutta ei ole mielekästä, eikä päinvastoin. Kumpikin on alkanut BigBang:ssä (Fred Hoylen keksimä termi). Kysymys, kumpi oli ensin ei myöskään ole mielekäs jos kaikki sai alkunsa samalla kertaa. Maapallo ei ilmestynyt pelipaikalle tyhjästä 6000 vuotta sitten niin että siitä voitaisiin mitata, mihin asti sen "painovoima" on edennyt. Maapallon muodostava aine peräisin alkuräjähdyksestä ja on kerääntynyt erilaisten prosessien vaikutuksesta tällä kiertoradalle ja tuonut tullessaan myös avaruutta kaareuttavat ominaisuutensa.

Kaizu

[RJ]

Hyviä vastauksia on jo tullut, mutta tässä vielä muutama omasta mielestäni tärkeä pointti ja vertaus gravitaatioaiheesta.

Kumpi siis oli ensin, kaarevuus vai painovoima? Lautamiesjärkisesti ajatellen, tietenkin painovoima!

Tämä kysymys liittyy siihen, miten painovoima käyttäytyi hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa. Homman selvittämiseen tarvitaan gravitaation ja kvanttifysiikan yhteispeliä, joka on nykyisin vielä selvittämätön ongelma. Näyttää siltä, että geometria ja mikrotason kvanttifysiikka liittyvät toisiinsa hyvinkin läheisesti, josta esimerkkinä säieteoria.

Samanlainen muna/kana-asetelma on sähkömagnetismissa: sähkö- ja magneettikentät ovat lähtöisin sähköisesti varatuista hiukkasista. Samat kentät kuitenkin myös määräävät varattujen hidujen liikeen, joka puolestaan taas aiheuttaa kentät. Kysymys on ns. kytketystä järjestelmästä, jossa molemmat osapuolet vaikuttavat toisiinsa. Normaali tilanne fysiikan ongelmissa.

Jos painovoima on ikään kuin geometriaa, niin mihin sitten tarvitaa gravitonia (välittäjähiukkasta massaojen välillä ???)

Gravitoni ilmaantuu yhtälöihin kun yritetään (ja toistaiseksi vielä epäonnistutaan) kvantittaa yleinen suhteellisuusteoria. Jos gravitaatio on mallinnettavissa kvanttikenttäteorialla, gravitonia tarvitaan selittämään painovoiman mikroskooppinen luonne. Tähän mikrokuvaukseen voi liittyä myös geometrinen puoli, kuten säieteoria vihjaa.

Myös gravitonin tapauksssa voidaan tehdä vertaus sähkömagnetismiin. Fotoni ilmaantuu sähkömagnetismin yhtälöihin vasta teorian kvantituksessa (kvanttisähködynamiikka). Klassinen sähkömagnetismi on kenttäteoria, jossa ei ole fotonin käsitettä. Fotoni kuitenkin tarvitaan mikrotason tarkkaan kuvaukseen.

[jussi_k_kojootti]

Kiitosta vaan Ketarax, mutta eikö tämä alkulauseesi "Massa kertoo avaruudelle, kuinka pitää kaareutua, ja avaruus kertoo massalle kuinka pitää liikkua" juuri vastaakin kysymykseeni "kumpi oli ensin".  Eli massa,  ja massaenergia jota sanaa myös käytät, on se "isäntä" joka perimmältään ohjaa kaikkea  liikettä?

Mjaaaa.  No nyt kun sanot.  Ei kai tuossa mitään vikaa ole.  

Hyvä kun nimim. Vesa muisti kysyä gravitonin puutteesta. Onko nyt niin, että niin kauan kuin sitä ei löydetä, kaikki kosmologiset teoriat ovat enemmän tai vähemmän huteralla pohjalla?

On ja ei -- ja näin on (tai ei ole) vielä gravitonin löydyttyäkin, jos sitä siis on olemassakaan.  Ehkä asia -- siis painovoiman ja muiden perusvuorovaikutusten yhtenäinen kuvaus, ns. Suuri Yhtenäisteoria -- ratkeaakin lopulta niin päin että kvanttiteoriat saatetaan avaruuden geometrian piiriin!  Tai sitten asia vain on niin että tämän parempaan ei pystytä (mitä kuitenkin epäilen -- niinkuin sitäkin että luonnosta anomaliat loppuisi Suureen Yhtenäisteoriaan).

Fysikaalisissa teorioissa ei kuitenkaan ole kysymys "totuudesta", vaan tehtyjen havaintojen selittämisestä.  Tässä mielessä ne eivät liiku harmaalla alueella, tai ole huteralla tai vakaalla pohjalla, vaan joko toimivat, tai sitten eivät.  Käytännössä yhtäältä ilmiöiden kirjo vs. pelkistetyt mallit (esim. klassinen sähkömagnetismi -- neljä yhtälöä!) ja toisaalta havaintokykymme rajallisuus -- tämä myös Kaizun usein esiin nostamassa evolutiivisessä mielessä --  saavat aikaan sen, että epävarmuutta kyllä esiintyy -- kunnon tutkijan tunnistaakin siitä, ettei se ole oikein mistään ehdottoman varma.

Kosmologiaan sisältyy se fundamentaalinen ongelma, että olemme vääjäämättä osa tarkasteltavaa systeemiä.  Voimme kurottaa sen tuolle puolen vain matematiikan avulla, mutta emme koskaan pysty tekemään "lopullista" vahvistavaa havaintoa, koska sen tehdäksemme meidän pitäisi pystyä havaitsemaan A) koko kosmosta B) häiritsemättä havainnon kohdetta.  Tämä on mahdotonta, toisin kuin vaikkapa atomin energiatilojen mittaaminen pommittamalla sitä fotoneilla.

Paras mihin kosmologiassa kai pystytään on kaikki tehdyt havainnot selittävä matemaattinen malli.  Niin kutsuttu kosmologian standardimalli on lähellä tätä (?) -- ja havaitut anomaliat, kuten galaksien pyörimisnopeuden riippuvuus etäisyydestä (joka viittaa pimeään materiaan), tai nuoren universumin supernovien (no, ainakin parin ...) eriskummallinen käyttäytyminen (joka viittaa pimeään energiaan) auttavat tarkentamaan mallia entisestään.

[jussi_k_kojootti]

En ymmärrä alkuunkaan, mitä oikein tarkoitetaan kun sanotaan Einsteiniin vedoten, että painovoima - tai vetovoima, miten vaan - on seurasta avaruuden kaareutumisesta? Niin kuin myös Mauri Valtonen T ja A:ssa 8/2008.  Toisaalta kun sitten sanotaan, että massa (ja siis sen paino/vetovoima) kaareuttaa avaruuden.  Kumpi siis oli ensin, kaarevuus vai painovoima? Lautamiesjärkisesti ajatellen, tietenkin painovoima!

Laitan tähän vielä sellaisen lisäyksen, että yleisessä suhteellisuusteoriassa ei ole painovoimaa lainkaan, vaan pelkästään avaruuden kaareutumista.  Mutta kun tämä kaareutuminen tulkitaan vanhempien (eli lähinnä  Newtonin) teorioiden termistöllä, joka jo historiallisista syistä on ihmisjärjelle ja -kielelle tutumpaa (tekisi melkein mieli viitata kollektiiviseen tietoisuuteen :-)), siitä puhutaan painovoimana.  Taustalla on toki vain yksi ilmiö, mutta sille on useita toisistaan poikkeavia selitysmalleja.

Tai vielä: käsitteenä painovoima on vanhempi kuin avaruuden kaareutuminen.

[vesa k]

Hei
Useassa täällä olevassa kirjoituksessa on tullut esiin, että fotoni voi virittää atomin ja kun viritystila purkautuu, muodostuu edellisen kaltainen fotoni.
Fotonin energiia riippuu sen taajuudesta.
Joskus koulussa opetettiin, että atomi koostuu ytimestä ja sitä kiertävistä elektroneista. Ytimen protonit ja neutroonit voidaan ? jakaa pienempiin hiukkasiin kvarkkeihin.
Elektroni on jakamaton ja sillä on vakio energia ? Onko näin ?
Toisaalta elektronit ovat ytimeen nähden tietyillä radoilla. Ensimmäiselle radalle mahtuu 2 toiselle 8 kolmannelle 18 elektronia jne.
Elektronin siirtyminen ylemmälle radalle tarvitsee energiaa kuten esim fotonin törmäyksen. Kuitenkin muistaisin, että tämä energia siirryttäessä radalta 2 radalle 3 olisi vakio. Mitä jos fotonille on enemmän energiaa kuin tarvittaisiin atomin virittämiseen ? Syntyykö ylimääräistä säteilyä ja tällöin viritystilan palautuminen ei synnytä alkuperäisen kaltaista fotonia? Jos sillä on vähemmän, niin onko niin että törmäyksessä ei tapahdu mitään?
Eli virittyvätkö eri aineet helpommin tietyn taajuisilla fotoneilla.
vesa_k

[jussi_k_kojootti]

Joskus koulussa opetettiin, että atomi koostuu ytimestä ja sitä kiertävistä elektroneista. Ytimen protonit ja neutroonit voidaan ? jakaa pienempiin hiukkasiin kvarkkeihin.

Joo, protonit ja neutronit koostuu up- ja down-kvarkeista.  Protonissa up, up, down, ja neutronissa up, down, down.

Elektroni on jakamaton ja sillä on vakio energia ? Onko näin ?

Jakamaton, pistemäinen ja vakio massaenergia, mutta kokonaisenergiaan lisätään nopeudesta riippuva liike-energia.

siirryttäessä radalta 2 radalle 3 olisi vakio. Mitä jos fotonille on enemmän energiaa kuin tarvittaisiin atomin virittämiseen ?

Riippuu siitä kuinka paljon enemmän energiaa on.  Mahdollisia vaihtoehtoja ovat valosähköinen ilmiö (näkyvä ja UV-valo, fotoni potkaisee elektronin irti atomista, ja atomista tulee tämän seurauksena sähköisesti varattu eli ioni -- se siis ionisoituu) ja comptonin sironta (röntgen- ja gamma-fotoneille), jossa elektronin irroituksesta yli jäänyt energia jatkaa matkaansa (matalampitaajuisena) fotonina.  Lisäksi aina kun fotoni on tarpeeksi energeettinen (tai tarpeeksi suurienergisessä kentässä, josta voidaan niistää energiaa) voi tapahtua parinmuodostusta, eli kosmoksen päähänpistosta fotoni muuttuu esimerkiksi elektroni-positroni -pariksi.

Eli virittyvätkö eri aineet helpommin tietyn taajuisilla fotoneilla.

Kyllä, juuri tästä on kysymys spektrin absorptio- ja emissioviivoissa.

[Lauri Kangas]

Riippuu siitä kuinka paljon enemmän energiaa on.  Mahdollisia vaihtoehtoja ovat valosähköinen ilmiö (näkyvä ja UV-valo, fotoni potkaisee elektronin irti atomista, ja atomista tulee tämän seurauksena sähköisesti varattu eli ioni -- se siis ionisoituu) ja comptonin sironta (röntgen- ja gamma-fotoneille), jossa elektronin irroituksesta yli jäänyt energia jatkaa matkaansa (matalampitaajuisena) fotonina.  Lisäksi aina kun fotoni on tarpeeksi energeettinen (tai tarpeeksi suurienergisessä kentässä, josta voidaan niistää energiaa) voi tapahtua parinmuodostusta, eli kosmoksen päähänpistosta fotoni muuttuu esimerkiksi elektroni-positroni -pariksi.

Olipa hyvin tiivistetty. Tuutko tekemään mun puolesta muutaman pääaineesta puuttuvan tentin. ;)

[vesa k]

Hei
Kiitos paljon.
Miten punasiirtymä liittyy  tähän fotonien energiaan ja niiden vuorovaikutukseen atomien kanssa?
Mukaan tulee käsittääkseni aika eli fotonin enegria muuttuu kuljetun matkan mukaan ?
vesa_k

[vesa k]

Hei
Vielä lisää kymysyksiä: fotonilla ei ole massaa, mutta elektronilla ja positronilla tietääkseni on, niin miten: Lainaus "kosmoksen päähänpistosta fotoni muuttuu esimerkiksi elektroni-positroni -pariksi "

t vesa_k

[jussi_k_kojootti]

Miten punasiirtymä liittyy  tähän fotonien energiaan ja niiden vuorovaikutukseen atomien kanssa?
Mukaan tulee käsittääkseni aika eli fotonin enegria muuttuu kuljetun matkan mukaan ?

Punasiirtymää aiheutuu useasta eri syystä:

-- Doppler-efekti, eli kappaleiden suhteellinen liike.  Täysin analoginen ambulanssin pillin kanssa, jonka äänen korkeus (=taajuus) lähestyessään kasvaa (-> fotonin sinisiirtymä), ja etääntyessän laskee (-> punasiirtymä).  Astrofysiikassa tätä voidaan käyttää esimerkiksi kaksoistähtiä ja eksoplaneettoja havaittaessa.

-- Avaruuden laajeneminen, aiheuttaa vain punasiirtymistä.

-- Gravitaatio.  Kivutessaan painovoimakaivosta fotoni punasiirtyy, ja tippuessaan painovoimakaivoon fotoni sinisiirtyy.

Atomien kanssa vuorovaikuttaessaan fotonilla on jokin taajuus, joka voi olla puna- tai sinisiirtynyt näiden efektien (summa-)vaikutuksesta, mutta "siinä kaikki" -- eli oleellista on vain se, mikä fotonin taajuus on sillä hetkellä kun se vuorovaikuttaa atomin kanssa.

Esitän nyt kysymyksen gravitaation aiheuttamasta punasiirtymästä.  Tarkastellaan Andromedan galaksin (M31) ytimen alueelta lähtenyttä fotonia.  Noustessaan M31:n painovoimakaivosta fotoni punasiirtyy, kulkiessaan M31:n ja Linnunradan välisen intergalaktisen avaruuden läpi sen taajuus pysyy kutakuinkin vakiona, ja tippuessaan Linnunradan painovoimakaivoon ja lopulta CCD-kennoomme se sinisiirtyy.  Eikö näin aiheutuneiden puna- ja sinisiirtymien eron pitäisi olla havaittavissa?  Toisin sanoen, eikö M31:n ja Linnunradan massojen erotusta pitäisi pystyä arvioimaan analysoimalla huolellisesti M31:tä tulevan valon "yleissävyä"?  Jos sattuisikin olemaan niin että M31:n ja Linnunradan massat ovat suunnilleen samat, niin entäs vaikkapa (kumpi vaan) Magellanin pilvi vs. Linnunrata?

Olen kysynyt tätä APODin foorumilla (mun kysymys n. sivun puolivälissä, nimimerkki sama), ja sain vastaukseksi että gravitaatiopunasiirtymällä on merkitystä lähinnä vain aivan mustien aukkojen (ja neutronitähtien) pinnan läheisyydestä lähteneitä fotoneita koskien -- eli (käsittääkseni) että painovoimagradientin jyrkkyys olisi ratkaiseva.  En täysin ymmärrä tätä (vaikka paremman tiedon puutteessa olen valmis uskomaan Petersonin vastauksen; neuferin näkökulma ei tällä-kään kertaa oikein aukene minulle :)).  Andromedan galaksin, tai jo pelkästään sen ydinalueen, massa on >> minkään yksittäisen (tunnetun) mustan aukon massa.  Eli vaikka painovoimagradientti ei olisikaan kovin jyrkkä, niin joka tapauksessa fotonin on kivuttava kaivosta pois (ja vastaavasti tiputtava Linnunradan kaivoon).  Eikö galaksin keskustan alueelta intergalaktiseen avaruuteen pyrkivä avaruusalus muka tarvitse enemmän delta-v:tä kuin galaksin reunalta samaa temppua yrittävä sisaralus?  Miksi oleellista väitetään olevan fotonin syntyalueella vallitsevan painovoimakentän suuruus?

Kai minun olisi syytä ottaa lusikka kauniiseen käteen ja yrittää laskea tämä, mutta ennen sitä päätin nyt koettaa josko teiltä löytyisi oikotie ymmärrykseen :-)

Edit:  yliveto, kts. http://foorumi.avaruus.fi/index.php?topic=6211.msg54973#msg54973

[Lauri Kangas]

Vielä lisää kymysyksiä: fotonilla ei ole massaa, mutta elektronilla ja positronilla tietääkseni on, niin miten: Lainaus "kosmoksen päähänpistosta fotoni muuttuu esimerkiksi elektroni-positroni -pariksi "

Se fotonin energia muuttuu elektronin ja positronin massoiksi. Sitä varten fotonilla pitää aluksi siis olla ainakin tuplasti elektronin lepomassan verran energiaa (reilu 1 MeV). Sähkövarausta ei synny tyhjästä sillä elektronilla ja positronilla on eri merkkiset, samoin muut suureet kumoavat sopivasti toisensa, esim. kulmaliikemäärä.

Kun elektroni ja positroni kohtaavat, ne annihiloituvat ja syntyy taas tuollainen fotoni.

[vesa k]

Hei
Voisiko ajatella, että gravitoni=fotoni.
Gravitaatiota ei ole jos ei ole informaatiota toisen massan olemassaolosta.
Gravitaatio on sitä voimakkaampi, mitä enemmän informaatiota (fotoneja) kohteesta saamme =etäisyys.
Kaikkihan on sallittu tällä sivustolla.

vesa_k

[Kaizu]

Hei
Voisiko ajatella, että gravitoni=fotoni.
Gravitaatiota ei ole jos ei ole informaatiota toisen massan olemassaolosta.
Gravitaatio on sitä voimakkaampi, mitä enemmän informaatiota (fotoneja) kohteesta saamme =etäisyys.
Kaikkihan on sallittu tällä sivustolla.

vesa_k

Siis niinku että pimeässä olisimme kevyempiä?

Kaizu

[vesa k]

Hei
Käsittääkseni fotoni on myös pimeässä.
Näetko uv-säteilyn tai ir-säteilyn. Onko sinun fotonisi vain näkevän allon pituudellä?
vesa_k

[jussi_k_kojootti]

Siis niinku että pimeässä olisimme kevyempiä?

Ja naulan kantaan!  Mietipäs vesku miten ehdotuksesi suhtautuu mustiin aukkoihin.  Niistähän ei tunnetusti fotonit karkaa -- mutta painovoima senkin edestä.  Ja vaikka tähtitieteessä informaatio usein saadaan fotoneiden avulla, niin yleisessä tapauksessa näin ei ole.  Sokea esimerkiksi ei taida aistia juuri muita kuin infrapuna-fotoneja, mutta informaatiota on silti saatavilla esimerkiksi äänen (fononit) ja kosketusaistin muodossa.

... joskin, kosketusaisti taitaa loppupeleissä perustua (virtuaali-)fotoneihin.  Kun painan sormeni tuota pöytää vasten, niin se ei mene sen läpi coulombisten eli elektrostaattisten voimien vuorovaikutuksesta.

... ja miten se nyt sitten on ääniaaltojenkin kanssa.  Pitkittäisiä aaltoja ilmassa, häiriöitä paineessa.  Paine on pohjimmiltaan voima, joka kohdistuu tiettyyn pinta-alaan kaasumolekyylien törmäyksistä.  Törmäyksissä dominoiva vuorovaikutus on ilman molekyylien ja tärykalvoni atomien elektroniverhojen välinen coulombin repulsio.

Ollaanko me tosiaan näin "fotonisia"??  Vai onko nyt kantolan aika keskeyttää pähkäily :-)