Melkein aina kun fyysikot ilmoittavat uuden partikkelin löydöstä, oli se sitten Higgsin bosoni tai jokin aika sitten löydetty tetrakvarkki tcc+, sen mitä he oikeasti ovat havainneet on pieni kupru, joka nousee muuten sileästä mitattujen suureiden käyrästä. Sellainen kupru on erehtymättömästi merkki “resonanssista”, eräästä luonnon kaikkein yleisimmistä ilmiöistä.
Resonanssia esiintyy moninaisissa luonnon ilmiöissä kuten musiikki, kuolevien tähtien ydinfuusio, sekä jopa aliatomisten hiukkasten olemassaolo. Sama vaikutus ilmenee niin moninaisissa ympäristöissä, arkipäivän elämästä aina pienimpiin asteikoihin.
Yksinkertaisimmassa muodossaan resonanssi esiintyy, kun kappale kokee värähtelyliikkeen voiman, joka on lähinnä sen “luonnollista” taajuutta, jolla se helpoimmin oskilloi. Se, että kappaleilla on ominaistaajuuksia, “on yksi sekä matematiikan että universumin perusominaisuuksista”, sanoo Matt Strassler, Harvardin yliopiston hiukkasfyysikko, joka kirjoittaa kirjaa Higgsin bosonista. Leikkikentän keinu on tunnettu esimerkki: “Kun sellaisen laittaa liikkeelle, se aina automaattisesti löytää resonanssitaajuuden”, Strassler sanoo. Tai iske viinilasia, ja reuna värähtelee muutaman sadan hertsin taajuudella, mikä tuottaa karakteristisen äänen värähtelyjen kulkiessa ympärillä olevan ilman läpi.
Systeemin ominaistaajuus riippuu sen sisäisistä ominaisuuksista: huilulla esimerkiksi ääniaaltojen taajuudet sopivat sen sylinterigeometrian sisälle.
Sveitsiläinen matemaatikko Leonhard Euler vuonna 1739 ratkaisi yhtälön, joka kuvaa systeemiä, joka jatkuvasti on lähellä sen resonanssitaajuutta. Hän sai selville, että systeemi ilmaisi “monenlaisia ja ihania liikkeitä”, niinkuin hän asian ilmaisi kollegalleen Johann Bernouillille, ja että kun systeemi toimii tarkalleen sen resonanssitaajuudella, liikkeen amplitudi “kasvaa jatkuvasti ja lopulta äärettömyyteen.”
Systeemin käyttäminen liian kovaa tietyllä taajuudella voi vaikuttaa dramaattisesti: koulutettu laulaja voi rikkoa lasin laulamalla pitkitetysti resonanssitaajuudella. Silta, joka resonoi marssivien sotilaiden askelien taajuudella, voi romahtaa. Mutta useimmiten energian hukka, jonka Eulerin analyysi jätti huomiotta, estää fysikaalisen systeemin liikettä kasvamasta liian suureksi. Jos laulaja laulaa nuottia hiljaa, lasin värähtely kasvaa aluksi, mutta suuremmat värähtely aiheuttavat energian säteilyä ulospäin ääniaaltoina, ja lopulta saavutetaan tasapaino, jossa värähtelyillä on vakioamplitudi.
Oletetaan nyt, että laulaja aloittaa matalasta nuotista ja jatkuvasti nostaa äänensä taajuutta ylöspäin. Laulajan nostaessa taajuutta siihen missä lasi resonoi, ääni hetkellisesti muuttuu kovemmaksi. Tämä vahvistus syntyy siitä, kun lasiin saapuvat ääniaallot synkronoituvat jo olemassaolevien aaltojen kanssa, samalla tavalla kun heilurin työntäminen oikeaan aikaan voi vahvistaa alkuliikettä. Kun piirretään kuvaaja äänen amplitudista taajuuden funktiona, esiintyy käyrä jossa on selvä kupru resonanssitaajuuden kohdalla, sellainen joka muistuttaa huomattavasti partikkelilöytöjen kupruja. Molemmissa tapauksissa kuprun leveys kertoo siitä miten paljon systeemi heittää energiaa hukkaan, eli miten pitkään lasi soi sen jälkeen kun sitä on isketty kerran, tai miten pitkään partikkeli on olemassa ennen sen hajoamista.
Mutta miksi partikkelit käyttäytyvät kuin humisevat viinilasit? 1900-luvun taitteessa resonanssin ymmärrettiin olevan värähtelevien ja oskilloivien systeemien ominaisuus. Partikkelit, jotka matkaavat suoraa viivaa ja hajoavat kuin biljardipallot, vaikuttivat olevan varsin kaukana tästä fysiikan alasta.
Kvanttimekaniikan kehitys on osoittanut asiat toisin. Kokeista näkyi, että valo, jonka oltiin ajateltu olevan sähkömagneettista aaltoliikettä, joskus käyttäytyy kuin hiukkanen: “fotoni”, jolla on tietty energiamäärä, joka on suhteessa siihen liitetyn aaltoliikkeen taajuuteen. Samaan aikaan aineen hiukkaset, esim. elektronit, joskus käyttäytyivät aaltoliikkeen kaltaisesti samanlaisella taajuuden ja energian suhteella.
Vuonna 1925, tästä kirjeenvaihdosta inspiroituneena, itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger johti yhtälön vetyatomille, jonka ratkaisut ovat aaltoja, jotka oskilloivat tietyillä ominaistaajuuksilla, paljon samaan tapaan kuin akustisten ääniaaltoyhtälöiden ratkaisut ilmapuhallettaville soittimille.
Jokainen ratkaisu Schrödingerin yhtälöön esittää atomia kiertävän elektronin mahdollista tilaa. Elektroni voi hypätä korkeampienergiselle tilalle absorboimalla fotonin, jonka taajuus paikkaa kahden ominaistaajuuden välisen energiaeron.
Sellaiset tilasiirtymät ovat itsessään resonansseja: aivan kuten viinilasi, atomi ainoastaan absorboi energiaa aalloista tietyillä taajuuksilla, ja se voi myös luovuttaa energiaa emittoimalla aaltoja näillä samoilla taajuuksilla. (Kun tiettyjä atomeja viritetään tarkalleen tietyllä taajuudella, tietyt atomit värähtelevät yli 10 kvadriljoonan oskillaation verran ennen kuin ne luovuttavat energiansa fotoneina — äärimmäisen tarkka atomiresonanssi, joka on maailman tarkimpien atomikellojen toiminnan perustana.)
Kvanttiteoria paljasti, että atomien rakenne, joka on verrattavissa sinfonioihin, liittyy läheisesti resonanssiin. Elektronit kiinnittyvät atomeihin hieman samalla tavalla kuin ääniaallot jäävät huilujen sisään. Atomiytimien kanssa 1930-luvun edistysaskeleet näyttivät sen, että atomiytimiä on olemassa niin monenlaisia resonanssin ansiosta. Resonanssisiirtymät ovat tärkeitä ydinfuusioreaktoreille, jotka muuttavat yhden tyyppisiä atomiytimiä toisiksi. Kaikkein tunnetuin näistä ydinresonansseista mahdollistaa kolmen heliumatomin fuusioitumisen yhdeksi hiiliytimeksi. Ilman tätä tähdet eivät kykenisi tuottamaan hiiltä tai raskaampia alkuaineita, ja elämä sellaisena kuin me sen tunnemme ei olisi mahdollista.
Mutta resonanssin juuret fysiikassa ovat syvemmällä. 1920-luvulla fyysikot alkoivat kehittää vahvaa matemaattista viitekehystä, joka tunnetaan nimellä kvanttikenttäteoria, joka on hiukkasfysiikan kieli edelleen tänäkin päivänä. Kvanttikenttäteoriassa universumin perusosaset ovat kenttiä, jotka täyttävät kaikki avaruudet. Hiukkaset ovat näiden kenttien paikallisia, resonanssivirittymiä, jotka värähtelevät kuin jouset äärettömässä patjassa. Taajuudet joilla kvanttikentät preferoivat värähdellä ovat perua universumin perusvakioista, joiden alkuperä on hämärä; nämä taajuudet taas vuorostaan määräävät niihin liittyvien hiukkasten massat. Kun tyhjiötä ammutaan tarpeeksi oikealla taajuudella, sieltä tulee ulos hiukkasia.
Tässä mielessä resonanssi on vastuussa hiukkasten koko olemassaolosta. Se on myös yhä enemmän muuttumassa kokeellisen hiukkasfysiikan työjuhdaksi. Kun mitataan sitä miten usein tiettyjen hiukkasten kombinaatiot syntyvät korkeaenergisissä törmäyksissä, fyysikot näkevät piikkejä havaintotaajuuksissa, kun he varioivat törmäysenergiaa: uusia manifestaatioita universaalista resonanssikäyrästä. “Kuten viinilasin tapauksessa, tässä pyyhitään systeemin läpi joka haluaa resonoida”, Strassler sanoo. “Kaikki mikä vain pystyy värähtelemään, sen värähtelyn saa aikaan.”
1950- ja 1960-luvuilla fyysikot näkivät useampia piikkejä kuin he olivat odottaneet, ja aluksi kukaan ei oikein tiennyt miten tulkita tätä. Monet kuprut olivat varsin leveitä, ja se viittasi hiukkasiin, jotka olivat olemassa triljoonasosan triljoonasosan sekuntia ajan. Toisin kuin tunnetut hiukkaset, jotka voidaan havaita suoraan, nämä uudet tulokkaat voitiin havaita vain resonanssin prosessin avulla.
Fyysikot myöhemmin sanoivat, että nämä hiukkaset eivät eronneet peruslaadultaan fotoneista tai neutroneista juurikaan, paitsi niiden lyhyessä elinajassa. Silloinkin, lyhytikäisia hiukkasia usein nimitetään yksinkertaisesti “resonansseiksi” — kunnianosoitus ilmiölle, joka on ollut yllättävän keskeisessä roolissa laajentamassa ymmärrystämme maailmasta.
Artikkelin julkaissut Quanta Magazine
