Kurssi on tarjonnut kvanttimekaniikasta ja suhteellisuusteoriasta valikoituja maistiaisia, mutta ei toki koko kuvaa. Mutta vaikka kurssi oli napakka, ehdimmehän silti oppia yhtä jos toista:

Opimme, että: 

• Energia ja moni muu suure ei ole jatkuva, vaan kvantittunut 
• Hiukkaset voivat aaltoluonteensa vuoksi olla samaan aikaan monessa eri paikassa  
• Hiukkasten paikkaa ja liikemäärää ei voi määrittää samanaikaisesti
• Kvanttimekaniikassa hiukkasten tilan määrää Newtonin lakeja vastaava Schrödingerin yhtälö
• Hiukkaset voivat tunneloitua mikroskooppisten seinien läpi
• Atomin kvanttimekaaninen malli seuraa Schrödingerin yhtälöstä
• Kvantti-ilmiöt ovat läsnä kaikkialla, mutta makroskooppisille kappaleille niitä ei voi käytännössä havaita
• Kvanttimekaniikassa systeemi voi olla kahden tai useamman tilan superpositiossa samanaikaisesti
• Hiukkasen havainnointi voi romahduttaa lomittuneen hiukkasen aaltofunktion kaukaisessa galaksissa
• Kvanttitietokone perustuu lomittuneisiin kvanttibitteihin
• Maailmankaikkeudessa ei ole olemassa yhteistä nykyhetkeä
• Aika hidastuu nopeuden kasvaessa
• Kappaleen pituus riippuu havaitsijan liiketilasta
• Hiukkasten yhdistyessä massaa voi kadota
• Painovoima ei varsinaisesti ole voima
• Musta aukko on pallosymmetrinen massiivinen kappale avaruudessa
• Tunnemme vain pienen osan universumin aineesta

Onhan tuolla ollut kaikenlaista mielenkiintoista. Mutta miten modernin fysiikan tuntemisesta hyötyvät muutkin kuin fyysikot, miksi se kuuluu yleissivistykseen?

Teorioiden hyötyä voi tarkastella eri näkökulmista. Yksi näkökulma liittyy teknologiaan. Kuten kurssilla on osin tullut esille, suurin osa nykyteknologiasta perustuu moderniin fysiikkaan kuten:

• diodit ja transistorit (tunnelointi)
• GPS ja satelliittien synkronointi (suhteellisuusteoreettinen ajan korjaus)
• laserit (fotonien kvanttimekaaninen stimulointi)
• aurinkokennot (fotonit virittävät piissä olevien elektronien kvanttitiloja)
• kvanttitietokone (lomittumiseen perustuvat kvanttibitit)
• kvanttisalaus (kvanttiteleportaatio ja kvanttimekaanisen mittaustapahtuman merkitys)
• ydinfissio- ja ydinfuusioreaktorit (tunnelointi)
• levitoivat junat (suprajohteiden Meissner-efekti)
• lääketieteellinen magneettikuvantaminen (elektronien ja ytimien spinien vuorovaikutus)
• ajan mittaaminen (kvanttisiirtymiin perustuvat atomikellot)
• ledit (valon emissio elektronien sopivilla kvanttisiirtymillä)
• flash-muistit (tunnelointi)
• suprajohteet (virtahäviöiden estäminen sopivilla elektronien kvanttimekaanisella tilarakenteella)
• supranesteet (viskositeetin katoaminen kvanttimekaanista alkuperää)
• ja niin edelleen ja niin edelleen... 

Myös niinkin arkiset asiat kuten fotosynteesi (kvanttikorrelaatiot), kullan keltainen väri ja elohopean nestemäisyys (raskaiden atomien sisäkuorien elektronien relativistiset nopeudet) ja auringon säteilyn spektri (kvantittumisen rooli lämpöä säteilevän kappaleen spektrissä) ovat pohjimmiltaan kvanttimekaanisia. Jopa kitkassa on aina kyse kahden materiaalin atomiskaalan yhteydestä ja elektronien hetkellisesti muodostamista superpositiotiloista eri materiaalien atomien välillä.

Kuva 1. Kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria ovat läsnä kaikkialla. (Lähteet: Wikipedia, flickr, Wikimedia commons). 

No joo, sovelluksia on tosiaan. Ei aina tule mieleenkään millä lailla moderni fysiikka missäkin ilmiössä on läsnä. 

Aivan niin. Sitä pohjimmaista, sovelluksen taustalla olevaa modernin fysiikan ilmiötä kun harvoin näkee omin silmin, kuten aiemmin jo keskustelimme. 

Teorioiden hyödyntäminen kuitenkin jatkuu, jopa voimistuu. Toisin sanoen, niiden rooli näkyy myös tieteellisestä näkökulmasta. Nykyään koko materiaalitieteiden, elektroniikan, ydinfysiikan, hiukkasfysiikan, kosmologian sekä kvanttikemian tutkimus pohjautuu kokonaan kvanttimekaniikkaan ja suhteellisuusteoriaan — eikä tämä toteamus ole lainkaan liioiteltu. Kvanttimekaniikka on keskeisessä roolissa jopa DNA:n mutaatiossa biologiassa; se on siis jopa evoluution taustalla. Kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria ovat myös tärkeänä osana monitieteistä yhteistyötä myös ihmiskunnan suurten haasteiden, kuten energiakysymysten, tieto- ja viestintäteknologioiden sekä ilmaston lämpenemisen ongelmien ratkaisemisessa. Voisi sanoa, että nämä kaksi perusteoriaa ovat kuin suola ja sokeri; ne ovat läsnä jokaisessa leivonnaisessa. Teoriat ovat kyllä kiehtovia ja tutkimisen arvoisia jo itsessään, mutta niiden kiehtovuus kasvaa entisestään niitä sovellettaessa eri tieteenaloilla ja eri tilanteissa. Kuten suolasta ja sokerista voi leipoa mitä vaan, myös teorioita voi soveltaa mihin tahansa käytännön ongelmaan; erityisen herkullisia teorioista tulee käytännön sovellusten kautta!

Kuva 2. Luonnontieteen tutkimus rakentuu voimakkaasti kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian varaan.

Teorioiden yleissivistävää roolia voi tarkastella myös pragmaattisesti, käytännöllisestä näkökulmasta, suhteessa toimintaasi yhteiskunnassa. Hyödyt tietämyksestä fysiikan ylioppilaskirjoituksissa, jotka toistuvasti sisältävät moderniin fysiikkaan liittyviä tehtäviä. Ymmärrät paremmin, miten esimerkiksi lääketieteessä käytettävä neutroniterapia toimii ja osaa tehdä perusteltuja päätöksiä. Osaa suhtautua huumorilla modernilla fysiikalla ratsastavaan markkinointiin, kuten kuva 3 esittää. Osaat siten olla ostamatta suhteellisuusteoreettista RelativeVacuum™ -pölynimuria tai sijoittamatta rahojasi pankkiin, joka mainostaa tavallisiin transistoreihin perustuvaa QuantumCrypto© -salauslaitetta.  Lisäksi osaat sijoittaa osakemarkkinoilla yhtiöihin, jotka todennäköisimmin onnistuvat toteuttamaan kotitalouksille suunnattua kvanttitietokonetta. Osaat arvioida, kannattaako sinun ostaa katollesi aurinkopaneeleita vai odottaa sähköyhtiön myyjän kolmen vuoden päähän lupaamaa uutta fuusioreaktoria. Tai osaat hakea työpaikkaa yrityksestä, jonka valmistavan nanopinnoitteen tiedät perustuvan oikeaan tieteeseen eikä hömppään.

Kuva 3. Moderni fysiikka ilmeisesti vaikuttaa suotuisasti myös ostopäätöksiin...

Teoriat kuuluvat yleissivistykseen myös filosofisesta näkökulmasta: niillä on suuri mahdollisuus vaikuttaa maailmankuvaamme. Samoin kuin koulun oppiaineet historia, uskonto, elämänkatsomustieto tai filosofia, moderni fysiikka vaikuttaa merkittävästi maailmankuvaamme.  

Mutta kyllähän fysiikkaa opetetaan yläkoulussa, lukiossa ja ammatillisissa oppilaitoksissa paljonkin; eihän fysiikan opetusta siinä mielessä puutu.

Totta, fysiikkaa opetetaan kyllä, mutta nimenomaan modernin fysiikan opettamiseen toisenkaan asteen oppilaitoksissa aikaa riittää valitettavan vähän. Muistatko keskustelun kurssin johdantokysymyksessä? Totesimme, että pääosin 1600-1900 -luvuilla kehitetty klassinen fysiikka rakentui selittämään ilmiöitä, joita ihmiset voivat havaita omilla aisteillaan suoraan? Tämähän tarkoittaa sitä, että klassinen fysiikka selittää ilmiöitä, jotka jo tunnemme. Siksi klassinen fysiikka tukee jo tunnettua maailmankuvaa, sitä maailmankuvaa, jonka lapsena opimme omilla aisteillamme. Kun olemme katsoneet luontoa tarkkaan, hyvin tarkkaan, käyttämällä mittalaitteita, olemme oppineet, että klassinen fysiikka ei vastaa nykykäsitystä siitä, miten luonto oikeasti toimii. Siksi klassinen fysiikka nykyaikaisen maailmankuvan perustana on riittämätön. Jos syvällisesti oivaltaa mitä tarkoittaa, kun aika riippuu havainnoijasta, kun eri paikoissa olevat hiukkaset ovat käytännössä yhtä, kun asioiden tila voi olla yhtäaikaisesti sekä-että, ja niin edespäin, ei oivaltaminen voi olla vaikuttamatta maailmankuvaan tai jopa teologisiin näkemyksiin. Esimerkiksi eräs hätkähdyttävimpiä kurssilla esitettyjä asioita lienee se, että maailmankaikkeudessa ei ole edes yhteistä nykyhetkeä. Jos aikakäsityksen mullistus ei vaikuta maailmankuvaamme, niin mikä sitten?

Siitä voisinkin vielä kysyä..?

Hetkinen — valitettavasti tämä kysymys täytyy keskeyttää: aikamme nimittäin on lopussa. Mutta mikäli sinulla on kvanttimekaniikasta ja suhteellisuusteoriasta nyt kurssin lopussa enemmän kysymyksiä kuin kurssin alussa, niin erinomaista! Tällöin olet oikeasti oivaltanut jotakin. 

Myös fysiikan tutkimuksen huipulla teorioihin liittyy paljon kysymyksiä, joita emme yksinkertaisesti ymmärrä. Fysiikka ei ole valmis ja tutkittavaa on edelleen paljon, joten tutkijoitakin tarvitaan. Mikäli fysiikan ihmeellinen maailma kiinnostaa, olet lämpimästi tervetullut jatkamaan fysiikan ihmettelyä myös yliopistoon; sinustakin voi tulla fyysikko! Myös yliopistoissa modernin fysiikan outouksia ihmetellään, edelleen ihan joka päivä. Lisäksi fyysikolla on monipuolista monipuolista sisältö- ja menetelmäosaamista, jonka avulla pääset rakentamaan itsesi näköisen työuran yrityksissä, oppilaitoksissa tai tutkimuslaitoksissa, kotimaassa tai ulkomailla. Tai jos sinua innostaa keskustella fysiikasta muiden kanssa ja saada heidätkin ymmärtämään fysiikkaa paremmin, voit harkita opiskelemista fysiikan aineenopettajaksi! Fyysikon työmahdollisuuksista ja opiskelupaikoista voi lukea lisää Wikipediasta tai Opintopolusta.

Tämän kurssin osalta homma kuitenkin alkaa olla paketissa. Heitetään vielä jäähyväiset kurssin päätösvideon muodossa.

Video 1. Kurssin päätösvideo.

Viimeinen tehtäväsi on vastata kurssin palautekyselyyn, jonne pääset alla olevasta linkistä. Kyselyn tuloksia käytetään kurssin tutkimiseen ja jatkokehittämiseen, joten vastaathan kyselyyn huolella. Kiitos vastauksistasi!

... No entäpä sitten se kurssisuoritus?

Mikäli vastasit 1) esikyselyyn, 2) kaikkiin tehtäviin (riittävillä pistemäärillä) sekä 3) ylläolevaan palautekyselyyn, niin voit odotella kurssisuorituksen ilmestyvän rekisteriin parin viikon kuluessa.