Alas huipulta
Sain tietää, että edellisessä merkinnässä kommentoimani Ylen artikkeli antiuniversumiin liittyvästä spekulaatiosta on saanut poikkeuksellisen paljon huomiota: sillä on yli 120 000 klikkausta ja tekstistä on luettu keskimäärin 75% (miten tämä sitten onkaan arvioitu). Vastasin jatkojutussa (ilmestynee pian julkaistu täällä) lukijoiden kysymyksiin aiheen tiimoilta.
En tiedä pitäisikö jutun suosion palauttaa vai horjuttaa uskoani tiedejournalismiin, mutta se sai minut miettimään fyysikoiden suhdetta teoreettisiin kehitelmiin.
Ehdotus antimaailmankaikkeudesta lienee herättänyt mielenkiintoa suuren yleisön parissa, koska idea tuntuu hurjalta, mutta siitä on helppo saada kiinni. Tutkijat hahmottavat oman alansa teorioita eri tavalla, eikä tämä Boylen, Finnin ja Turokin spekulaatio ole teoreettisen kosmologian kannalta kovin hurja. Se on tunnetun fysiikan yksinkertainen jatke, johon ei liity uudenlaisia matemaattisia rakenteita, eikä se tarjoa entistä parempaa vastausta ongelmiin.
Ihmetyksen tuntua herättävät sen sijaan teoriat, joissa todellisuuden alta paljastuu uudenlainen matemaattinen rakenne, jossa vanha tieto asettuu uuteen valoon ja joka ratkaisee nykyisiä ongelmia. Kyse ei ole niinkään siitä, minkälaisia teorian kuvaamat ilmiöt (olivatpa ne vaikka ylimääräisiä maailmankaikkeuksia) ovat, vaan siitä, millaisia sen lait –muodot muotojen takana– ovat.
Tämä on avain siihen, miksi säieteoria (hitaan alun jälkeen) otettiin 1980-luvulla haltioituneesti vastaan. Teoriassa oli aivan uudenlainen matemaattinen rakenne. Sen ristiriidattomuus vaikutti yllättävältä, kuten myös se, että teoria tuotti uusista lähtökohdista samankaltaista fysiikkaa kuin mitä jo tunnettiin, mennen kuitenkin entistä tietoa kauemmas. Säieoria ei ole lunastanut suuria lupauksia, mutta sen arvostus on jatkunut pitkälle, vaikka onkin hiipumaan päin. (Esimerkiksi nykyään kuulee letkautuksia siitä, tutkitaanko jotain asiaa ”tosimaailmassa vai säieteoriassa”.)
Muistan miten avartavalta tuntui fysiikkaa opiskellessa tutustua ensin klassiseen mekaniikkaan ja sähkömagnetismiin, sitten kvanttimekaniikkaan, suppeaan ja yleiseen suhteellisuusteoriaan, kvanttikenttäteoriaan, supersymmetriaan, supergravitaatioon ja lopulta säieteoriaan. Jokainen teoria rakentui edellisten pohjalle, sisälsi ne ja ylitti ne. Teorioiden lähtöoletukset osoittautuivat seurauksiksi yhä perustavanlaatuisemmista ja kauniimmista laeista. Esimerkiksi Newtonin toinen laki (kiihtyvyys on verrannollinen voimaan) seuraa yleisessä suhteellisuusteoriassa siitä, että kaikki tavat luetteloida aika-avaruuden pisteitä ovat yhtä päteviä.
Opinnot olivat kuin kiipeämistä yhä korkeammalle, kohti hienosyisempää ymmärrystä todellisuudesta. Pidemmälle kehiteltyjen teorioiden hahmottaminen vaati myös kehittyneempien matemaattisten työkalujen opettelemista. Helposti arvostaa sitä, mikä on ymmärryksen rajoilla ja mikä on vaikeaa, ja teoreettiset rakennelmat saattavat herättää ihailua siksi, että niissä käytetty matematiikka on vaativaa.
Vuoren huipulle päästyä vaikutelma voi kääntyä uskomukseksi siitä, että oma hahmotuskyky on kirkkaampi kuin niiden, jotka pelaavat karkeammalla kädellä. Hiukkasfysiikkaa läheisenä ulkopuolisena seurannut fyysikko Philip Anderson kirjoitti vuonna 2011 kirjassaan More and Different: Notes from a Thoughtful Curmudgeon, että ”kvanttikenttäteoria on magneetti häikäilemättömän loistaville, ylimielisille, elitistisille nuorille miehille”. Hän oli myös sitä mieltä, että alan on pelastanut ”narsistiselta jämähtämiseltä” vain se, että sen harjoittajat ovat usein niin älykkäitä, että heidän mielensä on avoin.
Andersonin arvio oli sikäli huonosti ajoitettu, että teoreettinen hiukkasfysiikka vaikuttaa 2000-luvulla jääneen polkemaan paikalleen. Erityisesti maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen selitykseksi hinatun multiversumi-idean suosio vaikuttaa perustuvan osittain ajatteluun, että jos me emme ole keksineet ratkaisua johonkin ongelmaan, niin ratkaisua ei ole olemassa. Ehkä aiempina vuosikymmeninä hiukkasfyysikoita ei pelastanut heidän avomielisyytensä, vaan virta koetuloksia, joka auttoi teoreettisten ideoiden seulomisessa ja muotoilemisessa.
Pitkälle menevän matematiikan omaksuminen vaatii tiettyä älykkyyttä, mutta matemaattisesti hienostuneempien mallien kanssa työskentely ei tarkoita sitä, että on fiksumpi, vain sitä, että on opetellut käyttämään erikoistuneempia työkaluja. Fysiikan kannalta on kuitenkin oleellista, mitä työkaluilla saa aikaan.
Rakastan yhä teoriaa, mutta olen hiljalleen oppinut arvostamaan myös kokeellisten fyysikoiden ja havaitsijoiden taitoja ja saavutuksia. Hiukkaskosmologian suurimmat edistysaskeleet viimeisten 30 vuoden aikana ovatkin tulleet havainnoista, eivät teoriasta. Saa nähdä kauanko tämä jatkuu, ja koska teorian seuraava kerros saadaan kuorittua esiin.
Päivitys (03/02/19): Lisätty linkki Ylen jatkojuttuun.
Muistan tuon saman avartavan ketjun, paitsi että supersymmetriaa en ymmärtänyt, joten oma ketjuni päättyi siihen. Ihmettelin ja päädyin ajattelemaan että jos tuo on totta, niin sen keksijät ovat valtavan paljon itseäni fiksumpia.
Mutta niinhän se on että fysiikka on havaitseva tiede, ja kiihtyvästä laajenemisesta tuli juuri vähän lisää dataa, joka näyttäisi puoltavan että pimeän energian tilanyhtälö riippuisi ajasta, https://arxiv.org/abs/1811.02590 .
Erittäin kiinnostava tulos, jos pitää paikkansa, mutta olen epäileväinen sen suhteen, miten hyvin kvasaarien etäisyydet tunnetaan (en tosin tunne heidän mainitsemaansa uutta metodiaa).
Ja löydön tilastollinen merkitys on arvioitu epäluotettavasti. Luotettavampaa olisi verrata joko goodness-of-fittiä (parametrien määrän huomioon ottaen) verrattuna vakioon tai bayesilaista evidenceä. Fittaamalla funktioita etäisyyteen ja katsomalla paljonko ne eroavat vakiosta voi päätyä virheellisiin johtopäätöksiin, kuten on pimeän energian suhteen huomattu.
Mielenkiintoinen kirjoitus. Kiinnostaisi tietää, mikä alan tutkijalle on teoreettisessa fysiikassa haastavinta? Oppiiko esimerkiksi matematiikkaa käyttämään niin sujuvasti, ettei varsinainen laskeminen enää tunnu vaikealta? Itselläni fysiikan opiskelu jäi siihen, kun yliopistossa huomasin sen sisältävän hyvin vähän olemisen pohdiskelua ja hirveästi integroimista.
Matematiikan käyttäminen on elimellinen osa fysiikan ajatteluprosessia – osa siitä on vaikeampaa, osa helpompaa. Vähän kuin kysyisi urheilijalta, onko työhön kuuluva fyysinen harjoittelu vaikeaa.
Miksi nykyään ei luennoida susy, sugra tai edes qft kaarevassa avaruudessa? Hiukkaspuolen kursseilla käydään samat asiat joka kurssilla, mutta eri kurssikoodilla Zzzz
Hyvin erikoistuneita kursseja ei luennoida säännöllisesti, mutta Esko Keski-Vakkuri on luennoinut kaarevan avaruuden kvanttikenttäteoriaa silloin tällöin. Voisi olla paikallaan sitä taas luennoida.
Ensi syksynä Javier Rubio luennoi inflaatioon erikoistuneen kurssi, jossa pääsee soveltamaan hiukkasfysiikkaa eri näkökulmasta – kaarevan avaruuden kvanttikenttäteoriaa siinäkin, vaikka yksinkertaisemmin kuin Keski-Vakkurin kurssilla.
Miten silmukkakvanttiteoriassa selitetään avaruuden laajentuminen?
Kysymys menee sen verta ohi merkinnän aiheesta, että ei siitä sen enempää.