4. heinäkuuta 2012 koitti maailman fyysikoille merkittävä päivä: tuolloin Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen Cernin suurella Large Hadron Collider -hiukkastörmäyttimellä (LHC) tehtyjen kokeiden tiedottajat yhdysvaltalainen Joe Incandela ja italialainen Fabiola Gianotti raportoivat yli kuudentuhannen luonnontieteilijän yhteisen ponnistelun tuloksena löydetystä Higgsin hiukkasesta. Englantilainen fyysikko Peter Higgs (s. 1929) oli itse paikalla Cernin tiedotustilaisuudessa ja ymmärrettävästi liikuttunut nimeään kantavan alkeishiukkasen löytymisestä. Sean Carrollin teos Maailmanlopun hiukkanen kuvaa tämän tapahtuman historiallisia taustoja ja tieteellisiä perusteita tarkasti unohtamatta sen enempää ihmisen kuin maailman suurimman koelaitteen LHC:n asemaa löydöksen takana. Teoksen on ansiokkaasti suomentanut Tuukka Perhoniemi.

Kuva: Peter Higgs Cernissä 2008, (Claudia Marcelloni 6.4. 2008, Cern)

Maailmanlopun hiukkanen ei ole hieman kuivakkaasta otsikostaan ja selittelevästä alaotsikostaan huolimatta oppikirja tai varsinainen tutkimusraportti Cernissä suoritetuista kokeista, vaan pikemminkin yleistajuinen katsaus ihmisen neuvokkuudesta maailmankaikkeuden perimmäisten salaisuuksien paljastajana. Carroll tarjoaa selkeän, asianmukaisen ja paikoin poikamaisen innokkaan selostuksen Higgsin bosonin löytymisestä ja sen taustalla vaikuttavasta hiukkasfysiikan kehityksestä. Päähuomion saavat LHC:n kahden tärkeimmän ilmaisimen (ATLAS ja CMS) parissa vuosina 2011–2012 työskennelleet tutkijaryhmät ja niiden Higgsin hiukkasen löytämiseksi tekemä yhteistyö.

Teoksen innostuneeseen yleisilmeeseen on voinut vaikuttaa Carrollin luonnontieteellinen tausta. Siinä missä tieteenhistorioitsijat (ja tieteenfilosofit) pyrkivät yleensä asianmukaiseen kriittisyyteen, ovat luonnontieteilijät usein innokkaampia kuvaamaan oman alansa keksinnöt tieteellisinä voittokulkuina. Carrollin tapauksessa esitystavan valintaan on kuitenkin hyvät perusteet: Higgsin hiukkanen on tieteellisesti äärimmäisen arvokas löydös ja sen löytänyt Cernin kiihdytin yhä maailman suurin yksittäinen fysikaalinen instrumentti. Yhdysvaltoihin Texasiin suunniteltiin vuonna 1987 Superconducting Super Collider -törmäytintä (SSC), jonka piti aloittaa toimintansa vuonna 1996, mutta tämä peräti 87 kilometrin pituisen törmäytinkehän sisältänyt kiihdytinhanke kaatui taloudellisiin vaikeuksiin. Cernin kiihdytin ja sen 27 kilometriä pitkä kiihdytinkehä herättävät ansaittua kunnioitusta sekä tutkijoiden että muiden asiasta kiinnostuneiden keskuudessa. Laite tuli maksamaan seitsemän miljardia euroa, ja on selvää, että kyseisen panostuksen jälkeen odotukset ovat olleet fyysikoiden keskuudessa kauttaaltaan korkealla.

Maailmanlopun hiukkanen on ensimmäisiä merkittäviä kokonaisesityksiä historiallisen hiukkasen löytymisestä ja Ursaa täytyy kiittää teoksen nopeasta kääntämisestä suomen kielelle. Asia on sekä tieteenhistorian että yleissivistyksen kannalta sen verran merkittävä – jos kohta myös vaikea – että suomalaisille asiasta kiinnostuneille lukijoille on hyvä tarjota aiheesta perustiedot äidinkielellään. Higgsin bosoni tulee jäämään tieteenhistoriaan samanlaisena luonnontieteen merkkipaaluna kuin Max Planckin (1858–1947) vuonna 1899 löytämä mustan kappaleen säteily tai Arno A. Penzias’in (s. 1933) ja Robert W. Wilsonin (s. 1936) vuonna 1965 radioastronomisissa mittauksissaan määrittämä kosminen mikroaaltosäteily.

Kuva: Cernin hiukkaskiihdytin, Daniel Dominguez ja Maximilien Brice, Cern, 3.4.2015.

Maailman suurin koskaan rakennettu tutkimuslaite

Maailmanlopun hiukkanen puolustaa paikkaansa autenttisena aikalaiskuvauksena Higgsin bosonin löytymisestä. Teos ei ole eikä aiheen uutuusarvon vuoksi oikeastaan voi olla varsinaista tieteenhistoriaa tai historiankirjoitusta. Cernin hadronitörmäyttimen käyttöönottovuosi 2008 asettaa teoksessa kuvatulle käytännölliselle tutkimustoiminnalle luontevan alkupisteen ja vuoden 2012 heinäkuun alku päätepisteen, jolloin tieto hiukkasen löytymisestä annettiin sekä tutkijayhteisölle että tiedotusvälineille. Hiukkasen historiaa tarkasteltaessa aikarajan alku asettuu vuoteen 1964, jolloin bosonin olemassaolo ennustettiin kolmessa toisistaan riippumattomassa tutkimusartikkelissa. Ensimmäisenä ehdotuksen massallisten, lyhytkantoisiin voimiin johtavien hiukkasten olemassaolosta esittivät Brysselin yliopiston tutkijat Francois Englert (s. 1932) ja Robert Brout (1928–2011), toisena asian toi esiin edellä mainittu Edinburghin yliopiston tutkija Higgs ja lopuksi saman idean omassa yhteisartikkelissaan esittivät vielä yhdysvaltalaiset Carl Richard Hagen (s. 1937) ja Gerald Guralnik (1936–2014) sekä englantilainen Tom Kibble (s. 1932).

Maailmanlopun hiukkanen jakautuu kolmeentoista lukuun ja kolmeen hieman teknisempään liitteeseen, joissa Carroll selostaa atomien ja alkeishiukkasten ominaislaadut, kiihdyttimien kehityshistorian sekä keskeisten tutkijoiden työpanoksen Higgsin bosonin tutkimusprosessissa. Lisäksi hän viittaa sivumennen huomattavimpiin Cernin kojeen käynnistämisen estämiseksi esitettyihin argumentteihin ja niihin liittyvien vaikeuksien voittamiseen. LHC:n vuonna 2008 tapahtunutta käynnistystä vastustettiin ennen kaikkea siksi, että sen pelättiin aiheuttavan alkuräjähdyksen kaltaisen räjähdyksen ja koituvan siten maailman tuhoksi. Fyysikot saivat kamppailla kyseisestä vuodesta lähtien huomattavan lujasti ratkaistakseen sekä tutkimuskysymyksensä että yleisön taholta esitetyt ennakkoluulot ja pelot. Vaikka Maailmanlopun hiukkanen selvittelee lähinnä fyysikoiden rutiineja osana bosonin löytymistä, valottaa Carroll paikoin hiukkasfysiikan suhdetta julkisuuteen ja esittelee tutkimuksen yhteiskunnallisia vaikutuksia yleisemmällä tasolla.

Teos on runsaasta asiasisällöstään huolimatta suhteellisen selkeä. Reiluun kolmeensataan sivuun on pakattu huomattava määrä luonnontieteellistä tietoa, mutta teksti ei ole tästä huolimatta menettänyt luettavuuttaan. Ehkä suurin syy tähän on se, että Carroll malttaa selostaa asiat suhteellisen luontevassa esitysjärjestyksessä. LHC näytteli merkittävää roolia bosonin löytymisessä ja on selvää, että se saa näkyvän aseman teoksen sivuilla: Carroll antaa kiihdyttimestä ensimmäiset yksityiskohtaiset tiedot sivuilla 25–27, esittelee kiihdyttimen (ja sen kilpailijoiden) kehitystarinan luvuissa neljä ja viisi (sivut 63–80, 81–96) ja tuo esiin varsinaiset törmäytinkehällä suoritetut koejärjestelyt luvussa kuusi (sivut 101–116). Tämän jälkeen hän selostaa kvarkkien, gluonien, leptonien ja muiden kiihdyttimessä törmäytettävien hiukkasten perusominaisuuksia sekä niiden käyttäytymistä erilaisissa voimakentissä. Tekstiä pystyy seuraamaan helposti, mikäli on omaksunut edes jonkinlaiset perustiedot modernista fysiikasta (hiukkasfysiikka, kenttäteoriat, vuorovaikutukset ja neljä perusvoimaa). Asioiden ymmärtämistä helpottavat havainnolliset kaaviot ja kuviot sekä teoksen puolivälistä löytyvä kuvaliite.

Vaikka Maailmanlopun hiukkanen keskittyy pääsääntöisesti dokumentoimaan Cernin toimintaa, tarjoaa se yleisesti ottaen hyvän käsityksen hiukkasfysiikan alalla viimeisenä muutamana vuosikymmenenä otetuista edistysaskelista. Cernin lisäksi Carrollin huomion kohteena ovat Stanfordin yliopistossa Kaliforniassa sijaitseva SLAC, New Yorkin Brookhaven sekä Chicagon Fermilab. Cernin ohella nämä laitokset ovat näytelleet keskeistä roolia yhtäältä uusien hiukkasten löytäjinä ja toisaalta fysiikan tutkimuskentän kansainvälisyyden ja näkyvyyden lisääjinä. Bosonin löytymistä oli osattu odottaa liki neljäkymmentä vuotta – aina siitä lähtien, kun Higgsin mekanismista muodostui vallitseva malli heikoille vuorovaikutuksille. Tästä huolimatta bosonin nopea löytyminen yllätti alan monet kärkinimet. Vaikka tässä lausunnossa saattaa olla jonkin verran Carrollin halua korostaa edustamansa tutkimusalan tehoa, elinvoimaisuutta ja tieteellistä arvoa, on selvää, että hiukkasfysiikan alalla on saavutettu huomattavia menestystarinoita suhteellisen nopeaan tahtiin kiihdyttimien kehityksen nopeuduttua 1970-luvun alusta lähtien.

Empiiristä tutkimusta ja tieteenfilosofiaa

Maailmanlopun hiukkanen on asianmukainen tietokirja ennen kaikkea siksi, ettei se tyydy selostamaan ainoastaan bosonin löytymistä teknisellä tasolla, vaan kytkee sen yhtäältä aikaisempaan tietoon ja pohtii toisaalta löydöksen luonnetta jatkotutkimuksen kannalta. Carroll tarkastelee bosonia suhteessa monen nykyfyysikon hyväksymään niin sanottuun standardimalliin ja esittää merkittäviä huomioita bosonin ja standardimalliin sisältyvien symmetrioiden välisestä epäsuhdasta. Kaikki aikaisemmin löydetyt bosonit ovat niin sanottuja mittabosoneita ja ne liittyvät perustavalla tavalla luonnonjärjestyksen taustalla oleviin symmetrioihin. Higgs sen sijaan on niin sanottu skalaaribosoni eikä sillä ole merkittävää roolia kyseisissä symmetrioissa. Carrollin mukaan Higgsin hiukkanen on eräässä mielessä kauneusvirhe standardimallin matemaattisessa kokonaisuudessa. Monet hiukkasta koskevat teoreettiset kysymykset ovat yhä avoimia, ja fyysikoita odottaa työntäytteiset ajat heidän hakiessa lisävahvistusta löydökselleen.

Näiden huomioiden myötä Maailmanlopun hiukkanen painottaa erästä luonnontieteelle ominaista tieteenfilosofista periaatetta, joka tuntuu toisinaan unohtuvan muiden tieteiden edustajilta. Luonnontiede nimittäin on induktiivinen tiede eikä se todista asioita ehdottoman varmasti samassa mielessä kuin matematiikka. Sen sijaan se lähestyy tutkimusongelmiaan keräämällä riittävät todisteet, joita on vaikea tai mahdoton väittää vääriksi, mikäli uudet havainnot eivät falsifioi näitä näyttöjä. Luonnontiede ei myöskään perusta tuloksiaan kulttuurisiin konventioihin tai konstruktioihin, kuten varhaiset 1980-luvun sosiaalikonstruktionistit väittivät, vaan aitoihin empiirisiin löydöksiin ja niiden taustalla vaikuttaviin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Näin ajatellen voimme jättää nykyisin omaan arvoonsa sellaiset aikanaan kunnioitusta herättäneet teokset kuin Bruno Latourin ja Steve Woolgarin Laboratory Life. The Social Construction of Scientific Facts (Beverly Hills & London: Sage Publications 1979) tai Andrew Pickeringin Constructing Quarks. A Sociological History of Particle Physics (Edinburgh: Edinburgh University Press 1984).

Maailmanlopun hiukkasen on kääntänyt Ursan julkaisujen suhteen viime aikoina näyttävästi kunnostautunut Tuukka Perhoniemi. Teksti on sekä sanastoltaan että lauserakenteiltaan asianmukaista suomen kieltä, eikä sisällä huomattavia asiavirheitä tai käsitteellisiä kömmähdyksiä. Ammattifyysikot käyttävät työkielenään englantia, mutta alan suomenkielinen käsitteistö on kehittynyt kiitettävän hyvin ja kaikille teoksessa mainituille hiukkastyypeille ja muille teknisille yksityiskohdille löytyy vakiintunut ja mielekäs suomenkielinen vastine.

Carrollin tyylistä voi sanoa sen verran, että aiheen vaikeaselkoisuudesta huolimatta hän säilyttää pääsääntöisesti asiallisen linjan tuputtamatta lukijalle lapsellisia analogioita tai heikosti perusteltuja argumentteja. Teos on tyyliltään huomattavasti asiallisempi ja järjellisempi kuin esimerkiksi tiedetoimittaja Marcus Chownin hieman naiivi Päättymättömät päivät kuolleena (2008). Chownin teos sisältää kasapäin määritelmiä ja selityksiä, jotka ovat täysin päivänselviä normaalin tieteellisen yleissivistyksen omaavalle lukijalle. Kun vuoden 1979 fysiikan nobelisti Steven Weinberg (s. 1933) julkaisi yleistajuinen tietokirjansa Kolme ensimmäistä minuuttia (1977), sanoi hän kirjoittaneensa teoksensa lukijalle, joka on valmis pohtimaan yksityiskohtaisia perusteluja, mutta joka ei ole hyvin perillä matematiikasta ja fysiikasta. Hän ei kirjoittanut helppolukuista teosta, ei aliarvioinut lukijaa eikä kirjoittanut kuin vähäjärkiselle. Parhaimmillaan sama perusasenne toteutuu Carrollin teoksessa huolimatta siitä, ettei se ole aivan yhtä syvällinen ja tyyliltään yhtenäinen kuin Weinbergin teos – tai hieman uudemman esimerkin mainitakseni Kari Enqvistin Monimutkaisuus (2007).