Arvoituksellista piristystä
Gravitaatioaaltojen ja toisiinsa sulautuvien mustien aukkojen julistaminen löydetyksi kolme viikkoa sitten oli iloinen hetki tieteessä. Erityisen hienoa se oli niille tutkijoille, jotka ovat vuosia puurtaneet aiheen parissa; LIGOssa mukana olevan Mark D. Hannamin kuvaus näyttää vilauksen löydön tuntemuksista.
Miljardin valovuoden päässä olevin mustien aukkojen lähettämän erittäin heikon signaalin havaitseminen oli LIGOlta melkoinen taidonnäyte. Se, että äärimmäisissä olosuhteissa syntynyt aalto täsmäsi ennusteisiin oli toisaalta huimaava osoitus siitä, että maailmankaikkeus on ymmärrettävissä.
Mutta kuten edellinen suuri löytö, Higgsin hiukkanen (sivuutetaan BICEP2:n vesiperäksi osoittautunut väite), gravitaatioaallot vain varmistivat jotain, mikä jo tiedettiin. Olisi hyvin yllättävää, jos gravitaatioaaltoja tai toisiaan kiertäviä mustia aukkoja ei olisi. Hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin hiukkaselle oli vaihtoehtojakin, mutta lopulta tylsin teoria voitti, eikä mitään poikkeamia Standardimallista nähty.
Perustavanlaatuisessa fysiikassa, jossa etsitään uusia luonnonlakeja, joita ei voida johtaa mistään toistaiseksi tunnetuista laeista, ei ole löytynyt mitään odottamatonta sitten 1990-luvun loppupuolella havaitun maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen. Tosin siinäkin tapauksessa suosituin selitys, joka kulkee nimellä kosmologinen vakio, oli kehitetty jo vuonna 1917, ja sen sisältävä nykyaikainen kosmologinen malli oli kasassa jo 1980-luvulla. (On myös mahdollista, että havainnot selittyvät ilman mitään uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, edes kosmologista vakiota.) Ensimmäiset tietokonesimulaatiot kosmisten rakenteiden muodostumisesta, joissa todettiin, että malli, jossa on kosmologinen vakio, sopii parhaiten havaintoihin, tehtiin Tartossa vuonna 1986. Vielä 30 vuotta myöhemmin havainnot ovat sopusoinnussa tuon mallin kanssa.
Perustavanlaatuisen fysiikan kulta-aika oli viime vuosisadan alussa, jolloin suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka löydettiin, ja muiden galaksien olemassaolo ja maailmankaikkeuden laajeneminen hahmotettiin. Maailmankuva kasvoi ylöspäin ja sisäänpäin, uusia mysteereitä kohdattiin ja läpimurtoja tehtiin yhtenään. Tuon ajan tutkijoiden nimillä, kuten Niels Bohr, Marie Curie ja Albert Einstein, on taianomainen kaiku. Toisen maailmansodan jälkeen kiivas tahti jatkui uuden sukupolven laittaessa kvanttikenttäteorian ja hiukkasfysiikan palasia paikoilleen.
Fysiikka kehittyi teorian ja kokeiden tiukassa vuorovaikutuksessa: teoreettiset oivallukset kasvoivat selittämättömien havaintojen maaperässä. Usein nuo ajat kuitenkin muistetaan vain teoreetikkojen nerokkuudesta, erityisesti tarinat Richard Feynmanin seikkailuista ovat kasvaneet legendan mittoihin. Tämä huuma on osaltaan johtanut teoreetikkojen yliarvostukseen.
Hiukkasfysiikan Standardimalli valmistui 70-luvulla, eikä hiukkaskiihdyttimissä ole nähty mitään sen tuonpuoleista. (Neutriinojen massat on kyllä löydetty, vesitankkien avulla.) Pääasialliset ideat Standardimallin laajentamiseksi, kuten supersymmetria, tekniväri ja säieteoria, ovat nekin saaneet alkunsa 70-luvulla. Kosmologian keskeiset tutkimusaiheet, inflaatio, pimeä aine, kiihtyvä laajeneminen ja baryogeneesi ovat hieman tuoreempia, ne ovat peräisin 1980-luvulta. Kosmologisia havaintoja on tullut valtavasti lisää, mutta ne on pystytty selittämään tyydyttävästi vanhoilla ideoilla. Vasta WMAP-satelliitin havainnot vuonna 2003 ja Planck-satelliitin havainnot vuonna 2013 pystyivät sulkemaan pois kaikkein yksinkertaisimpia 1980-luvulla esitettyjä malleja kosmiselle inflaatiolle.
Hiukkasfysiikan ja kosmologian 70- ja 80-luvun teorioita on sittemmin kehitetty merkittävästi, ja vuosikymmenten aikana hiotut matemaattiset työkalut teorioiden käsittelemiseen ovat terävämpiä kuin koskaan. Hienostuneiden matemaattisten menetelmien hallitseminen ei kuitenkaan ole sama asia kuin sen tietäminen, mitkä ongelmat ovat merkittäviä ja mistä suunnasta niitä pitäisi lähestyä.
Teorioiden kehittelyssä on jatkettu samaa latua, ja vaikka ideoille ei ole saatu varmennusta, jotkut teoreetikot ovat julistaneet ymmärryksemme syventyneen siksi, että tutkijoiden piirissä tietyt ideat ovat vakiintuneet, aivan kuin tietoa maailmasta voisi saada vakuuttamalla kollegoita siitä, kuka on eniten oikeassa.
Samalla kun supersymmetrialle, teknivärille ja muille vanhoille teoreettisille rakennelmille rakennetaan jatkoa, on jo totuttu siihen, että niiden alue kapenee yhä pienemmäksi, kun ne eivät saa tukea havainnoilta. Aina voi toivoa uuden kulman takaa paljastuvaa löytöä, mutta vaikka erilaisiin poikkeamiin kiiruhdetaan esittämään selityksiä, harva yllättyy, kun ne kerta toisensa jälkeen osoittautuvat kohinaksi tai systemaattiseksi ongelmaksi, ja Standardimalli varmistuu taas.
Hiukkaskosmologeilla onkin oireellisesti tapana käyttää leikillään ilmaisua ”oikea fysiikka” sellaisesta tutkimuksesta, joka käsittelee tunnettuja asioita (kuten Maan ilmakehää tai Aurinkoa), vastakohtana oman alan spekulaatioille uusista perustavanlaatuisista laeista.
Voisi sanoa, että teoriat ovat osoittautuneet paremmiksi kun teoreetikot, ja saattaa tuntua siltä, että vanhoina aikoina tieteilijät olivat älykkäämpiä. Tutkijat voivat kuitenkin varmistua uusien lakien löytämisestä vain silloin, kun ne ovat havaintojen saavutettavissa, ja ilman havaintoja on vaikea tietää minne päin suunnata. LIGOn havainnot mustien aukkojen törmäyksistä avaavat ennennäkemättömän vahvat gravitaatiokentät tutkimuksen kohteeksi, ja koe saattaa myös törmätä johonkin aivan odottamattomaan. Uusia arvoituksia kaivataan hiukkaskosmologian piristykseksi.
Avaruuden tutkimuksen tulevaisuus on inisinöörityössä. Sellaisessa mitä esim. SpaceX tekee.
”Uusia arvoituksia kaivataan hiukkaskosmologian piristykseksi.” Eivätkö pimeän aineen ja energian kaltaiset haasteet tarjoa enää minkäänlaista piristystä? Vai onko ongelmana se, ettei niiden suhteen ole tapahtunut riittävästi piristävää edistymistä?
Ongelmana on se, että pimeän aineen hiukkasluonteesta ei ole juuri mitään havaintoja. Jos niitä saadaan, niin sitten pimeän aineen tutkimus pääsee eteenpäin. Toisaalta pimeäksi energiaksi tuntuu havaintojen mukaan sopivan tyhjön energia: jos havainnot osoittaisivat, että näin ei ole, niin se olisi iso askel.
Avasiko tai täsmensikö gravitaatioaaltojen havaitseminen mitenkään gravitaation hiukkastason asioita? Saiko säieteoria tai joku muu kvanttigravitaatiomalli vahvistusta teorialleen?
Ei. Kunhan lisää mustista aukoista tulevia gravitaatioaaltoja mitataan, niin voi olla, että niissä näkyy jotain eroa yleisen suhteellisuusteorian ennustuksiin.
Yleisesti ottaen säieteoreettisten rakennelmien mukaan ei odottaisi näkyvän mitään muutoksia. (Säieteoreettisia ideoitahan on monenlaisia.)
On kyllä esimerkiksi ehdotettu, että kvanttiefektien takia mustia aukkoja ei koskaan synny, aine vain lähestyy romahtamista yhä hitaammin ja hitaammin. Kaukaa katsottuna kappale näyttäisi tällöin aivan samalta kuin musta aukko, mutta törmäykset ja niiden jälkeinen paikoilleen asettuminen olisivat erilaisia. Sen mukaan siis poikkeamia yleisestä suhteellisuusteoriasta pitäisi näkyä.
En osaa sanoa, kuinka paljon tätä ideaa rajoittaa jo nyt havaitut gravitaatioaallot.
Fysiikka ei ehkä ole vielä kunnolla henkisesti toipunut suhteellisuusteorian ja erityisesti kvanttiteorian valtavasta menestyksestä. Ennen kvanttiteoriaa fysiikassa oli paljon ja monentasoisia avoimia kysymyksiä. Kvanttiteorian ja stanardimallin kehittämisen jälkeen avoimia kysymyksiä on jäljellä vain pituusskaalan ääripäissä. Kysymyksenasettelu on muuttunut tässä mielessä yksiulotteiseksi, ja muutos tapahtui vain noin 50 vuodessa.
Maailmankaikkeus ilmiöineen on monimutkainen. Miksi juuri ilmiön koko (tai energiaskaala) on niin tärkeä että se yksin riittää parametrisoimaan tunnetun fysiikan rajat? Onko väistämättä niin että tuntematon fysiikka on vain pienissä ja suurissa mittakaavoissa ja kaikki siltä väliltä tunnetaan?
Standardimallin pohjalta asiaa tarkastellen on vaikea nähdä miten vastaus voisi olla jotain muuta kuin kyllä. Kuitenkin vaikka tiedän ja hyväksyn tämän, intuitiivisesti asia ei silti tunnu minusta aivan yhtä selvältä. Taustalla on tietoisuus siitä että jos työkalu on vasara, kaikki ongelmat näyttävät nauloilta.
vuodesta 2016 taitaa tulla ihan mielenkiintoinen löytöjen osalta. https://www.newscientist.com/article/2078975-bigger-than-the-higgs-bigger-even-than-gravitational-waves/?utm_source=NSNS&utm_medium=ILC&utm_campaign=webpush&cmpid=ILC%257CNSNS%257C2015-GLOBAL-webpush-LHC
Ks. merkinnät alla. Asiassa on ainakin se hyvä puoli, että siitä saadaan tänä vuonna varmuus. Lisätietoa odotellaan tässä kuussa pidettävässä Moriondin konferenssissa.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/toisen-kauden-kummajainen/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/rajankayntia/
Vastaukset viipyivät, koska blogialustassa ollleen teknisen vian takia en saanut tietoja siitä, että merkintään oli tullut kommentteja.
Syksy Räsänen:
”On kyllä esimerkiksi ehdotettu, että kvanttiefektien takia mustia aukkoja ei koskaan synny, aine vain lähestyy romahtamista yhä hitaammin ja hitaammin. Kaukaa katsottuna kappale näyttäisi tällöin aivan samalta kuin musta aukko, mutta törmäykset ja niiden jälkeinen paikoilleen asettuminen olisivat erilaisia. Sen mukaan siis poikkeamia yleisestä suhteellisuusteoriasta pitäisi näkyä.”
Olisiko täsmällisempää ajatella, että poikkeamia pitäisi silloin näkyä yleisen suhteellisuusteorian tunnettujen metristen ratkaisujen suhteen? Eikö voisi olla olemassa esim. yleisen suhteellisuusteorian eräänä ratkaisuna perturbatiivinen metriikka, jonka mukaan läpäistävää tapahtumahorisonttia ei synny ja olisi yhteensopiva kvanttimekaniikan kanssa?
Ensimmäinen virkkeesi viittaa juuri mainitsemiini poikkeamiin yleisestä suhteellisuusteoriasta. Perturbatiivisesti ongelmaa ei voi ratkaista, koska kehitys ei ole koko aikaa lähellä yhtä yksinkertaista ratkaisua, vaan kappaleet kehittyvät merkittävästi törmätessään.