Kosmokseen kirjoitettua

Rakenteiden sisältä

31.1.2021 klo 18.33, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Toissapäivänä oli pohjoismaisen monimuotoisuuteen ja naisten asemaan fysiikassa keskittyvän NORNDiP-verkoston kolmas konferenssi. Tapahtuma pidettiin etänä, ja se oli edellistä vuoden 2019 kokousta lyhyempi.

Aiempaan tapaan tapahtumassa oli sekä naispuolisen fyysikon puhe tutkimuksestaan (tällä kertaa vain yksi) että esityksiä syrjinnästä ja tasa-arvosta tiedeyhteisössä.

Ilona Riipinen Tukholman yliopistosta puhui ilmastomallien ennusteiden epävarmuuden vähentämisestä. Aihe on esimerkki fysiikan yhteiskunnallisesta merkityksestä: kasvihuonekaasujen mittava vähentäminen on ihmiskunnan kiireellisimpiä tehtäviä.

Riipinen kertoi, että suurin yksittäinen epävarmuustekijä ilmastomallien ennusteissa on se, miten pienhiukkaset vaikuttavat pilvien muodostumiseen ja sitä kautta lämpötilaan. Tämä on vaikea tutkimusaihe, koska ilmakehässä on monenlaisia pienhiukkasia ja niiden vuorovaikutusten mittakaava on hyvin pieni verrattuna ilmakehän erilaisten alueiden kokoon.

Aihe tuo yhteen tiedeyhteisön eri osia. Esimerkiksi hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNin CLOUD-koe on ollut avainasemassa pienhiukkasten tiivistymisen ymmärtämisessä. Riipisen mukaan tiedonvälityksen parantaminen eri alojen tutkijoiden välillä on ollut tärkeä edistysaskel ennusteiden parantamisessa. Hän totesi, että voisi olla hyödyllistä, jos ihmistieteiden edustajat tutkisivat fyysikkojen yhteisöä tarkemmin ja auttaisivat selvittämään, miten tieto kulkee ja miten tiedonvälitystä saisi entisestään optimoitua.

Puhetta seurasi paneeli häirinnän, erityisesti seksuaalisen ja sukupuoleen liittyvän häirinnän, vastaisesta työstä pohjoismaisissa yliopistoissa.

Lundin yliopiston Tomas Brage kertoi Tellus-projektista, jonka tarkoituksena on kerätä tietoa seksuaalisesta häirinnästä. Kyselyn mukaan 23% naisopiskelijoita ja 4% miesopiskelijoista oli kohdannut häirintää. Luvut ovat samankaltaisia muualla, mutta koska kyselyjen kattavuudessa, edustavuudessa ja vastausprosenteissa on eroja (eikä vastausprosentteja aina ei edes tiedetä), tarkkoja vertailuja on vaikea tehdä. Usea puhuja korosti sitä, miten tärkeää on, että toiminta häirintää vastaan perustuu tutkittuun tietoon. Faktavetoinen lähestymistapa auttaa myös pitämään keskustelun itse asiassa mielikuvien ja ennakkoluulojen sijaan.

Christa Gall Kööpenhaminan yliopistosta kertoi, kuinka MeToo-liike johti siihen, että Tanskan yliopistoissa viimein tunnustettiin häirinnän olemassaolo ja laajuus. Muidenkin pohjoismaiden yliopistoissa oli tavallista sitä ennen pitää omaa yhteisöä niin edistyneenä, että siellä ei voi olla tällaisia ongelmia. Bragen tavoin Gall korosti sitä, miten vähäisiä toimet toistaiseksi ovat verrattuna ongelman laajuuteen.

Islannin yliopiston Jóhanna Jónsdóttir mainitsi joitakin tiedeyhteisön piirteitä, jotka lisäävät häirinnän yleisyyttä. Tiedeyhteisö on hyvin kilpailullinen. Tutkijat ovat ennenkin kisanneet siitä, kuka saa merkittäviä tuloksia, julkaisuja arvostetuissa lehdissä tai työpaikkoja, mutta nyt he yhä useammin lisäksi kilpailevat samasta tutkimusrahoituksesta. Yksilöiden välinen kilpailu synnyttää kitkaa ja katkeruutta, mikä voi lisätä häirintää. Hän mainitsi, että muilla työpaikoilla häirintään voidaan puuttua purkamalla haitallisia kilpailuasetelmia, mutta tieteessä ne ovat osa rakenteita. Voi olla pohtimisen arvoista, mitä tämä kertoo siitä suunnasta, mihin tiedeyhteisöä erityisesti Suomessa yhä enemmän ajetaan.

Muina häirintää ja kiusaamista lisäävinä tekijöinä Jónsdóttir esitti sen, että (erityisesti fysiikassa) johtopaikoilla on enimmäkseen miehiä etuoikeutetuista taustoista, avoimen kriittisen kommunikaation kulttuurin sekä stressaavana pidetyn työympäristön. Fyysikkojen yhteisössä pidetään yleensä hyveenä sitä, että ideoihin suhtaudutaan jopa aggressiivisen kriittisesti, mutta tässä on syytä ottaa huomioon yhteisön valtasuhteet. Ei ole sama sanoa professorikollegalle tai aloittavalle opiskelijalle kaikkien edessä, että ideasi on typerin minkä olen ikinä kuullut.

Jónsdóttir ja muut puhujat korostivat, että häirintään puuttumiseen tarvitaan virallisten kanavien lisäksi myös epämuodollisia mahdollisuuksia hakea apua. Jos ongelmista puhumisesta käynnistyy aina virallinen prosessi, kynnys niiden esille tuomiseen voi olla turhan korkea. Häirintää esille tuovat myös pelkäävät seurauksia omalle uralleen, joten on tärkeää voida puhua luottamuksellisesti. Jos ongelmiin pystytään puuttumaan varhaisessa vaiheessa, voidaan estää niiden kasvaminen.

Anna Lipniacka Bergenin yliopistosta korosti hänkin sitä, että vasta MeToo-liike sai yliopistot myöntämään häirinnän todellisuuden ja tuomaan asian esille verkkosivuilla ja muussa materiaalissa. Tietoa on kuitenkin yhä sirpaleisesti saatavilla, ja se on usein epäselvää. Lipniackan mukaan yksityiskohtaisten häirinnän määritelmien sijaan olisi parempi yksinkertaisesti sanoa, että kaikki mikä tuntuu häirinnältä, on häirintää.

Tällaiset itseensä viittaavat määritelmät ovat mielestäni ongelmallisia. Rasismiin joskus tarjotaan samanlaista määritelmää: henkilö on rasismin kohteena, jos hän kokee olevansa rasismin kohteena. Subjektiivinen määrittely haittaa ilmiön analysoimista ja tilannesidonnaisen kokonaisuuden hahmottamista. Se myös määritelmällisesti sulkee pois sen, että voi olla aiheettomia häirintä- tai rasismisyytöksiä, mikä on oikeusturvankin kannalta vaarallista.

Hanna Vehkamäki Helsingin yliopistosta kertoi, että Helsingin tutkijanaisten häirintäkyselyyn vastanneista häirintää kokeneista naisista 71% ei ollut tehnyt asialle mitään, ja vain 12% oli vienyt asiaa eteenpäin virallisia kanavia – ja heistä vain puolet koki, että asialle oli tehty mitään. Hän toi esille sen, että on tärkeää, että fysiikan osastolla voi keskustella häirinnästä matalalla kynnyksellä, tarvittaessa eri aloilla työskentelevien henkilöiden kanssa, jotta vältetään kollegiaalisuuden ongelmat.

Yhtenä käytännön tapana edistää tasa-arvoa ja monimuotoisuutta mainittiin komiteoihin liittyminen. Yliopistoissa komiteoihin ei yleensä ole tunkua, ja niihin otetaan uran eri vaiheissa olevia yhteisön jäseniä, ei vain ansioituneimpia.

Vehkamäki ja moni muu korosti sitä, että häirintä ja epätasa-arvoinen kohtelu on rakenteellinen ongelma, johon pitää puuttua muuttamalla rakenteita ja toimintakulttuuria, ei vain puuttumalla yksittäisiin tapauksiin. Kumpulan kampuksella, johon fysiikan osasto kuuluu, on nykyään menettelyohje (Code of Conduct), ja yksi askel olisi se, että jokainen lukisi sen ja sitoutuisi siihen allekirjoittaessaan työsopimuksen. Sekin auttaa, että tehdään selväksi, millainen käytös ei ole hyväksyttävää. Tarvitaan myös tilaisuuksia, missä häirintää ja keinoja sen ehkäisemiseksi käydään läpi nykyisen henkilökunnan kanssa, osana muuta koulutusta.

Vehkamäki korosti, että on vaikeaa määritellä häirintää täsmällisesti ja kattavasti, ja on harmaita alueita. Erityisesti valtasuhteet vaikuttavat siihen, mikä on hyväksyttävää, ja johtavissa asemissa olevien henkilöiden pitäisi olla tästä tietoisia.

Vehkamäki mainitsi, että hänen ollessaan arvioimassa EU:n haluttua ERC-rahoitusta kaikille arvioijille annettiin keskeiseksi ohjeeksi tunnistaa ja huomioida tiedostamattomat ennakkoluulot. Suomessa tässä ollaan toivottoman jäljessä: sen enempää Suomen Akatemia kuin Helsingin yliopisto kolmivuotisten apurahojen haussa ei ainakaan pari vuotta sitten tarjonnut arvioijille mitään ohjeita ennakkoluulojen huomioon ottamiseen.

Tiedostamattomat ennakkoluulot ovat kuitenkin vain osa ongelmaa. Kun Tukholmassa oleva pohjoismainen tutkimusinstituutti Nordita peruutti Christian Ottin palkkaamisen, koska tämä oli syyllistynyt Caltechissä kahden jatko-opiskelijan häirintään, se samalla järjesti Ottille työpaikan Turun yliopistosta ja sopi maksavansa 75% palkasta. Vaikka häirinnästä ollaan tietoisia ja se tiedetään ongelmaksi, niin siltikään asianmukaisiin toimiin ei aina ryhdytä – ja joskus ongelma vain siirretään muualle. Brage kysyikin, miksei häirintään suhtauduta yhtä vakavasti kuin tieteelliseen vilppiin.

Turun yliopisto sittemmin perui palkkaamisen, koska sai huonoa julkisuutta. Tapaus havainnollistaa sitä, että toiminta yliopiston sisällä ei riitä, lisäksi tarvitaan ulkoista painetta. Seuraava puhuja, journalisti Angela Saini, mainitsikin että akateemiset instituutiot eivät muutu asian suhteen, koska ne ajattelevat itseään yrityksinä ja välittävät enemmän vanhempien tutkijoiden mukanaan tuomasta rahasta kuin nuorten yhteisön jäsenten hyvinvoinnista. Hän sanoi, että missään muualla kuin tiedemaailmassa ei hyväksytä johtavassa asemassa olevien henkilöiden asiatonta käytöstä. MeToo-kertomusten valossa tätä väitettä on vaikea ottaa todesta.

Saini puhui seksismin ja rasismin historiasta yhteiskunnassa. Jo evoluutioteorian kehittäjä Charles Darwin aikanaan päätteli, että koska naiset eivät ole yhteiskunnassa päässeet samanlaisiin asemiin ja saavutuksiin kuin miehet, he ovat biologisesti vähemmän kyvykkäitä. Darwin selitti asian sillä, että miesten henkiset ja fyysiset ominaisuudet ovat kehittyneet pidemmälle, koska he ovat joutuneet kilpailemaan keskenään seksistä naisten kanssa. Naisten ja rodullistettujen älyllisen ja moraalisen alemmuuden asettaminen valkoisten miesten rationaalisen ajattelun ylivertaisuuden vastakohdaksi oli myös osa valistuksen ideologiaa.

Vieläkin sukupuolten ja rodullistettujen ryhmien välisiä eroja yhteiskunnassa yritetään usein selittää ensisijaisesti biologisilla tekijöillä, vaikka on tunnettuja vahvasti vaikuttavia yhteiskunnallisia tekijöitä. Tiedeyhteisö on osa yhteiskuntaa, joten sen arvot ja toiminta heijastavat yhteiskunnassa vallitsevia käsityksiä. Ennakkoluuloja voi kuitenkin muuttaa tutkitun tiedon avulla (vaikka se ei yksin riitäkään), ja tässä mielessä yhteiskunnallinen toiminta tasa-arvon puolesta auttaa tiedeyhteisöäkin perustamaan ajattelun ja toiminnan enemmän tosiasioihin.

Saini nosti esille myös sen, että aiheeton sukupuolittaminen pönkittää ennakkoluuloja silloinkin kun sillä on positiivinen tarkoitus. Esimerkiksi on hehkutettu sitä, että naisten johtamat valtiot ovat menestyneet hyvin koronapandemian hoitamisessa. Ei kuitenkaan ole mitään näyttöä siitä, että tällä olisi mitään yhteyttä johtajien sukupuoleen. Paitsi että tällainen kirjoittelu on harhaanjohtavaa, se ei edistä tasa-arvoa, koska se asettaa naisille jossain suhteessa korkeampia odotuksia.

Toisaalta myös sukupuolen merkitystä sosiaalisena selittävänä tekijänä voidaan liioitella. Saini teki itsekin niin, tarjotessaan Donald Trumpin vaalivoiton Hillary Clintonista esimerkkinä siitä, miten pätevämpi nainen sivuutetaan virantäytössä. Ei ole näyttöä, että sukupuoli olisi ollut ratkaiseva tekijä. Lisäksi väite tuntuu heijastelevan sellaista rajoittunutta käsitystä, että poliittisten päättäjien valinnassa on kyse vain pätevyydestä eikä siitä, millaista politiikkaa heidän ajatellaan tekevän.

Saini myös tuntui melkeinpä kiistävän biologisten erojen olemassaolon jopa urheilussa, kommentoiden, että eri sukupuolta olevien huippu-urheilijoiden saavutuksista ei voi päätellä mitään, koska he ovat poikkeuksellisia yksilöitä. Kahden tilastollisen jakauman häntien erosta ei tietenkään voi vetää johtopäätöksiä tyypillisten arvojen eroista, mutta ei myöskään voi kiistää sitä, että ne osoittavat jakaumien olevan erilaisia. Ehkä asian käsittelyssä näkyy myös se, että Saini on toimittaja eikä luonnontieteilijä, ja käyttää siksi epätäsmällisempää kieltä.

Mutta väitteiden kanssa on syytä olla huolellinen siksi, että selvistäkin asioista on juurtuneita ennakkoluuloja. Jos esittää liioiteltuja väitteitä, voi antaa aineksia myös paikkansapitävien väitteiden sivuuttamiselle. Siitä, että eri kromosomit omaavien joukkojen välillä on fyysisiä eroja, ei seuraa sitä, että heidän henkisissä kyvyissään olisi eroja, saati että niillä olisi selitysvoimaa tiedemaailman erojen ymmärtämisessä.

Saini toi käsittelyyn rodullistettujen syrjinnän tiedemaailmassa, mikä on ainakin Suomessa saanut vähemmän huomiota kuin sukupuoleen perustuva syrjintä. Keskustelussa tuli esille se, miten eri tavalla eri maissa käsitellään rodullistamista ja rasismia. Esimerkiksi Yhdysvalloissa ja Iso-Britanniassa puhutaan yleisesti rodusta, ilman että on aina selvää viitataanko sosiaalisesti määriteltyyn ryhmään vai kuviteltuun biologiseen ryhmään. Pohjoismassa taas termiä pidetään rasistisena sen rotuopillisen taustan takia.

Joskus voi olla vaikeaa hahmottaa kulttuurillisia ja poliittisia eroja yhteiskuntien välillä. Erityisesti tämä pätee ihmisiin, jotka ovat kasvaneet lähempänä ison kulttuurillisen alueen keskustaa kuin sen reunamia – kuten Iso-Britanniassa tai Yhdysvalloissa.

Esimerkkinä toiminnasta rodullistettujen syrjintää vastaan Saini mainitsi korkeapalkkaisen urheilijan, joka antoi stipendejä yliopistoon rodullistetun ryhmän jäsenille. Pohjoismaissa ei kuitenkaan ole lukukausimaksuja (ainakaan oman maan kansalaisille). Kommentti poliittisten oireiden paikkaamisesta yksilöllisellä hyväntekeväisyydellä poliittisen vaikuttamisen sijaan kuvaa myös sitä, miten erilaista ajattelu on sosiaalidemokraattisessa hyvinvointivaltiossa ja luokkayhteiskunnassa, jossa poliittisen vallan ja mediavallan käyttäjät yrittävät estää sosiaalidemokratian.

Toisesta kulttuurillisesta piiristä tulevien esitysten meille selvät puutteet havainnollistavat sitä vaikeutta, että yhteiskunnallisten kysymysten tapauksessa tarkastelemme aina asiaa tutkimuskohteen sisältä, ja tutkimamme asiat ovat osaltaan määränneet sitä, miten niitä lähestymme.

Hauskanpitoa

22.1.2021 klo 17.36, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Lopetin blogimerkintäni mustien aukkojen tuottamista koskevasta tieteellisestä artikkelistamme sanoihin ”tämä onkin hauska aihe”. Monasti fysiikassa tutkimuksen kohde valikoituukin siksi, että sen kanssa on hauska painia, eikä siksi, että kyse olisi polttavasta ongelmasta, jonka ratkaisemista pitää kaikkein tärkeimpänä.

Ongelmanratkaisu miellyttää ihmisiä, vaikka ongelma olisi merkityksetön, kuten ristisanoissa. Fysiikan tutkimuksessa on mukana myös älyllisen ponnistelun nautinto (ja masennus), kun saa kurkottaa osaamisensa rajoille. Lisäksi fysiikkaan liittyy löytöretkeilyn ilo sellaisten asioiden selville saamisesta, joita kukaan ei vielä tiedä. Joskus aiempi työ johdattaa eteenpäin auttamalla hahmottamaan jonkin kokonaisuuden, josta puuttuukin vielä yksi tai muutama osa, ja jonka haluaa sitten saada valmiiksi kuin palapelin. Toisaalta työ voi avata uuden näkymän kuin temppeliin sademetsän siimeksessä.

Vaikka syynä olisi hauskanpito, fyysikot kuitenkin yleensä myös ajattelevat aiheensa olevan jotenkin merkittävä. On vaikea paneutua asiaan niin huolellisesti kuin mitä fysiikan tutkimus edellyttää, jos pitää sitä tyhjänpäiväisenä. Toisaalta on helppo erehtyä pitämään jotakin merkittävänä vain siksi, että on paneutunut siihen suurella vaivalla ja käyttänyt siihen paljon aikaa sen tekemiseen – ja nykyään yhä useammin myös rahoittajien vakuuttamiseen.

Tutkiminen huvin vuoksi ilman perusteltua tärkeyttä puolustaa paikkaansa myös fysiikan etenemisen kannalta sikäli, että läpimurrot usein löytyvät yllättävistä suunnista. On tärkeää saada tuoreita näkökulmia, vaikka tarvitaankin tiettyä kurinalaisuutta, jotta kyse ei ole vain yhteisestä leikistä.

Siihen mitä pidetään tärkeänä vaikuttaa merkittävästi fyysikkojen yhteisö. Aktiivinen ja kriittinen tutkimusympäristö nostaa kaikkia: se edesauttaa innostumista ja antaa itseluottamusta sivuuttamaan sen, mitä ei pidä hauskana tai tärkeänä. Tutkimuskentän ymmärtäminen on oma ongelmanratkaisukyvystä erillinen taitonsa.

Toisaalta muotivirtauksiin on helppo hukkua ja johtajien tallomiin polkuihin juuttua. Joskus tutkimuksen tekemisen syynä on vain se, että saa työskennellä joko mukava tyypin tai alan auktoriteetin kanssa, eikä ole niin väliä, mistä tutkimusongelmasta nyt onkaan kysymys.

Tämä tutkimuksen todellisuus ei yleensä heijastu tiedeuutisoinnissa. Toimittajat kirjoittavat tieteellisistä artikkeleista kuten tutkijoiden motivaationa olisi aina merkittävän ongelman ratkaiseminen, eivätkä tutkijat ehkä aina puhu rehellisesti tutkimuksen taustoista, jos osaisivatkaan. Voi olla vaikea tietää mikä itseä oikeasti motivoi, ja vielä vaikeampaa sanoa se, kun yleinen tarina on toisenlainen.

Oleellisimpiin teorioihin

11.1.2021 klo 18.49, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Syksyllä luennoimani Ursan kurssi kosmologiasta osoittautui sen verta suosituksi, että siitä tulee maaliskuussa uusinta. Kurssi koostuu kolmesta luennosta, jotka pidetään kello 18.00-20.00 keskiviikkoina 17., 24. ja 31. maaliskuuta. Kurssi pidetään etänä. Luennoilla on aikaa kysymyksille. Ilmoittautua voi Ursan sivuilla (sikäli kun paikkoja on jäljellä). Kurssia kuvaillaan näin:

Verkkokurssi tarjoaa napakan katsauksen moderniin kosmologiaan, sen oleellisimpiin teorioihin sekä hieman myös kosmologian historiaan. Kurssilla käsitellään mm. maailmankaikkeuden historia, ison mittakaavan rakenteet, kosmisen mikroaaltotausta, pimeä aine, pimeä energia ja kosminen inflaatio.

---

Rehellinen elämä/An honest life

23.12.2020 klo 00.38, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

(This entry is in both Finnish and English. The English text is below the Finnish text.)

Huomasin juuri, että Jack Steinberger kuoli 12. päivä joulukuuta. Hän oli 99-vuotias. Tuntuu väärältä, että hänen kuolemansa oli jäänyt minulta huomaamatta.

Jack tiedetään parhaiten myonin neutriinon löytämisestä vuonna 1962 yhdessä Leon M. Ledermanin ja Melvin Schwartzin kanssa, mistä heille myönnettiin vuoden 1988 fysiikan Nobelin palkinto. Minulla oli ilo tuntea häntä hieman.

Jack syntyi Saksassa vuonna 1921. Jackin isä piti itseään uskollisena saksalaisena, joka oli ylpeä asepalveluksestaan ensimmäisessä maailmansodassa. Jack on kirjoittanut, että hänet kasvatettiin uskomaan, että saksalaisena hän on muita parempi, ahkerampi, rehellisempi ja rohkeampi. Hänen mukaansa juuri tämä ajattelu oli tausta sille, että saksalaiset seurasivat Hitleriä antisemitismiin ja kuolemaan.

Jackin perhe oli juutalainen, ja natsien noustessa valtaan vuonna 1933 hänen vanhempansa ymmärsivät ensimmäisten joukossa tilanteen vakavuuden. Vuonna 1934 he lähettivät Jackin isoveljensä kanssa Yhdysvaltoihin pakolaisina. Jackin ottoisä Yhdysvalloissa takasi vuonna 1938 sen, että Jackin vanhemmat ja nuorempi veli saattoivat tulla hänen perässään turvaan, sodan kynnyksellä.

Jackilla oli jo 14-vuotiaana vahvoja näkemyksiä, ja hän oli sitä mieltä, että rehellisen ihmisen pitää tehdä rehellistä työtä, eikä ottoisän toimintaa pörssimeklarina voinut sellaiseksi kutsua. Hän kirjoitti myöhemmin, että pysyi sosialistina koko ikänsä, mutta ei näe asioita niin mustavalkoisina. Hän totesi, että ei ole varma voiko sanoa, että hänen oma elämäntyönsä, missä hän seurasi nautintoaan oppimalla fysiikan laeista, oli mitenkään meklarointia ”rehellisempää”.

Jack kuului toisen maailmansodan aikana aloittaneeseen fyysikoiden sukupolveen. Hän osallistui Saksan kaupunkien pommituksessa käytettyjen pommitähtäinten kehittämiseen. Sodan jälkeen Jack oli Chicagon yliopistossa muun muassa Enrico Fermin oppilaana. Fermillä oli ollut keskeinen rooli Yhdysvaltojen ydinaseohjelmassa.

Jack halusi tutkia teoreettista fysiikkaa, mutta Fermi kehotti häntä tekemään mittauksia kosmisista säteistä. Tämä johtikin siihen, että Jack osoitti vuonna 1948, että hiukkanen nimeltä myoni ei hajoa kahdeksi hiukkaseksi, kuten oli ajateltu, vaan luultavasti kolmeksi, joista kaksi on neutriinoja. Tämä viitoitti tietä myöhempään myonin neutriinon löytämiseen.

Jack päätyi teoriapuolelle J. Robert Oppenheimerin johtamaan Princetonin yliopiston Institute for Advanced Studyyn. Hän koki olevansa muita huonompi, ja oli iloinen päästessään takaisin kokeellisen fysiikan pariin Berkeleyn Kalifornian yliopistossa. Siellä hän muun muassa löysi neutraalin pionin, joka on kvarkista ja antikvarkista koostuva hiukkanen, joka on tärkeä vahvassa vuorovaikutuksessa ja ydinfysiikassa.

Vuonna 1950 Jack joutui lähtemään Kalifornian yliopistosta, koska kieltäytyi allekirjoittamasta vasemmistolaisten poliittiseen vainoon liittyvää uskollisuudenvalaa. Omaelämänkerrassaan Learning About Particles: 50 Privileged Years Jack sanoo vähätellen päätöksensä olleen helppo, koska hänellä ei ollut Berkeleyssä pysyvää työpaikkaa.

Jack oli hiukkasfysiikan uusien kokeellisten menetelmien kehittämisen ja soveltamisen kärjessä, ja osallistui useisiin merkittäviin kokeisiin, joista Nobelilla tunnustettu vuoden 1962 myonin neutriinon löytäminen oli vain yksi.

Hiukkasfysiikka oli silloin erilaista. Erikoistuminen ei ollut edennyt yhtä pitkälle, ja kaikki saattoivat tehdä vähän kaikkea. Jackin mukaan 50-luvulla pystyi saamaan kahden kollegan kanssa kolme kiinnostavaa (ja, vaikka hän ei niin sanonut, historiallista) tulosta vuodessa, vaikka yksi idea menisikin pieleen. Nykyään kokeet kestävät vuosia: jos koe maksaa alle 100 miljoonaa euroa niin se on halpa, ja jos siinä on mukana alle 100 ihmistä niin se on pieni.

Myös suhde työturvallisuuteen oli erilainen. Jackin mukaan kukaan ei ollut vastuullinen, pätevä tai edes juuri ajatellut asiaa. Esimerkiksi nestemäistä happea saatettiin vain lastata takakonttiin ja lähteä ajamaan, ja hänellä itsellään oli ainakin neljä onnettomuutta palavien kaasujen kanssa. Asia otettiin vakavammin sen jälkeen, kun Massachusetts Institute of Technologyssä kuoli yksi ihminen nestemäiseen happeen liittyvässä onnettomuudessa.

Jack siirtyi CERNiin vuonna 1968 uuden detektoriteknologian perässä, ja osallistui siellä useiden kokeiden suunnitteluun ja toteuttamisen. Hiukkasfysiikan Standardimallin aikakausi oli alkamassa, ja muutaman vuoden kuluessa oli kasassa kaikki teoreettiset palaset, joita sitten yksi toisensa jälkeen CERNissä ja Fermilabissa löydettiin ja nobeleilla palkittiin. Viimeinen pala oli Higgsin hiukkanen, jonka havaitseminen vuonna 2012 päätti tämän kauden, jona ei vain varmistettu Standardimallin ennusteita vaan yritettiin nähdä sen tuolle puolen. Edellisessä onnistuttiin turhankin hyvin, toisessa koettiin pettymys.

Jack oli 70-vuotiaaksi asti ALEPH-koeryhmän puhemies ja osallistui detektorin suunnitteluun ja tulosten analysoimiseen. ALEPH oli yksi detektori vuonna 1989 käynnistyneessä LEP-kiihdyttimessä. LEPpiä varten sata metriä maan alle kaivetussa tunnelissa on nykyään LHC-kiihdytin.

Vuonna 1995 Jack jätti aktiivisen tutkimuksen, koska koki että hänellä ei ollut enää uusia ideoita annettavana. Hän kuitenkin jatkoi koeryhmien neuvonantajana yli 90-vuotiaaksi. Lopetettuaan hiukkasfysiikan tutkimuksen Jack rupesi opiskelemaan ja seuraamaan kosmologiaa ja astrofysiikkaa. Kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet oli mitattu vain kolmea vuotta aiemmin.

Tapasin Jackin vuonna 2004. Olin tutkijana Oxfordissa, ja juuri julkaissut ensimmäisen väittelyn jälkeisen tieteellisen artikkelini. Esitin siinä (en ensimmäisenä), että maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen voisi johtua rakenteiden muodostumisesta maailmankaikkeudessa. Kosmologi Dominik Schwarz kutsui minut CERNiin puhumaan aiheesta.

Jack, tuolloin 82-vuotias, osallistui tapansa mukaan seminaariin. Jack osasi esittää yksinkertaisia ja samalla asian ytimeen meneviä kysymyksiä aiheesta kuin aiheesta.

Jatkoimme puheeni jälkeen juttelua käytävällä, ja Jack ehdotti yksinkertaista lähestymistapaa sen hahmottamiseksi, miten rakenteet vaikuttavat keskimääräiseen laajenemiseen. Minulla oli joitakin ajan käsittelyyn yleisessä suhteellisuusteoriassa liittyviä vastalauseita, joihin Jack totesi vain, että ”minähän en tiedä mitä aika on, sinä tiedät”. Hän osasi olla sekä pistävän kriittinen että vilpittömän vaatimaton.

Kaksi vuotta myöhemmin päädyin omaa reittiäni kirjoittamaan artikkelin Jackin ehdottamasta ideasta. Se oli toinen läpimurtoni aiheen parissa, ja siinä asian fysikaalinen merkitys ja yhtälöiden sisältö matematiikan tuolta puolen selvisi minulle. Jos olisin heti seurannut Jackin ideaa, jonka hän lyhyessä keskustelussa yhden puheen jälkeen keksi, olisin voinut säästää vuoden.

Noihin aikoihin CERNin teoriayksikköön palkattiin yksi kosmologi vuodessa. Vuonna 2007 se olin minä, ja aloitin kaksivuotisen pestin. Jack piti minua kosmologian tietolähteenään, ja tuli ovelleni kysymysten kanssa.

Muistojeni mukaan Jack tuli kerran työhuoneelleni ja sanoi jotain sellaista kuin ”tässä on tutkijoiden ydinaseiden vastainen vetoomus, ja toivon että allekirjoitat sen”. Tällaisella esikuvalla on vaikutusta siihen, minkä näkee sopivana fyysikolle.

Jack oli yhä mukana seminaareissa, mutta nyt hänen kysymyksensä joskus osoittivat, että häneltä oli mennyt joku ilmeinen seikka ohi, eikä hän saanut siitä enää kiinni. Tämä ei ole nuorillekaan tavatonta, mutta Jack tunsi ajattelunsa tylsymisen, ja se turhautti häntä.

Tapasin Jackin viimeksi tammikuussa 2010, kun olin pari kuukautta CERNissä. Halusin ottaa hänestä kuvan hänen työhuoneellaan, ja Jack vaati, että olemme siinä yhdessä. Puhuimme rakenteiden vaikutuksesta maailmankaikkeuden laajenemiseen. Hän sanoi, että ongelma ei varmaankaan ratkea ennen hänen kuolemaansa. Olin yllättynyt enkä tiennyt mitä sanoa, joten kysähdin jotain sellaista kuin että eikö tuo ole aika surullinen ajattelutapa. Jack vastasi: ”Niin. On surullista vanheta ja on surullista kuolla.”

* * *

An honest life

I just noticed that Jack Steinberger died on December 12. He was 99 years old. It feels irrationally wrong that his death had passed me by.

Jack is most well known for the discovery of the muon neutrino in 1962 together with Leon M. Lederman and Melvin Schwartz, for which they received the physics Nobel prize in 1988. I had the pleasure of knowing him a little.

Jack was born in Germany in 1921. His father considered himself a loyal German, who was proud to have served in the First World War. Jack later wrote that he was brought up to believe that as a German he is better, more hardworking, more honest and more courageous than others. According to him, this thinking formed the background for why the Germans followed Hitler into antisemitism and death.

Jack’s family was Jewish, and after the Nazis rose to power in 1933 his parents were among the first to realise how grave the situation was. In 1934 they sent sent Jack and his older brother as refugees to the United States. Jack’s foster father in the US also gave a guarantee about Jack’s parents and younger brother, so that they were able to follow him there in 1938, on the eve of war.

Already at the age of 14 Jack had strong opinions, and he thought that an honest human should do honest work, and his foster father’s stock brokering did not qualify. He later wrote that he remained a socialist all his life, but doesn’t see things so black and white anymore. He said that he’s not sure whether he can say that his life’s work following the pleasure of learning laws of physics was in any way more “honest” than brokering stocks.

Jack was part of the generation who started physics during the Second World War. He took part in the development of bomb sights used in the bombing of German cities. After the war Jack studied at University of Chicago with Enrico Fermi among others. Fermi had had a central role in the US nuclear weapons program.

Jack wanted to do theoretical physics, but Fermi encouraged him to measure cosmic rays. This led to 1948 Jack showing experimentally that a particle called the myon doesn’t decay into two particles as thought, but probably into three, two of which are neutrinos. This paved the way to the later discovery of the muon neutrino.

Jack ended up working on theory at the Princeton Institute for Advanced Study led by J. Robert Oppenheimer. He felt that he did not measure up to the others, and was happy to get back to experimental physics at University of California Berkeley. There he, among other things, discovered the neutral pion, a particle composed of a quark and antiquark, which is important in the strong interaction and nuclear physics.

In 1950 Jack had to leave Berkeley, because he refused to sign a loyalty oath that was part of the political persecution of leftists. In his autobiography Learning About Particles: 50 Privileged Years Jack makes light of this, saying it was an easy decision because he didn’t have a permanent position at Berkeley.

Jack was at the forefront of developing and applying new experimental methods in particle physics. He took part in many important experiments, of which the 1962 discovery of the muon neutrino, for which the Nobel prize was awarded, was only one.

Particle physics was different back then. Specialisation had not advanced so far as today, and everyone could do a bit of everything. According to Jack, in the 1950s you could with two colleagues get three interesting (and although he did not say so, historical) results a year, even if one idea failed. Nowadays experiments take years: if they cost less than 100 million euros they are cheap, and if they involve less than 100 people they are small.

Approach to work safety was also different. Jack wrote that nobody was responsible, competent or even thought about the matter much. You could just put liquid hydrogen in the trunk of your car and start driving without further concern. Jack himself had at least four accidents with flammable gases. Things were taken more seriously after one person died of accident involving liquid hydrogen at MIT.

Jack moved to CERN in 1968 after new detector technology, and took part in the planning and execution of several experiments. The era of the Standard Model of particle physics was beginning, and in a few years all theoretical pieces had been put together, and were then discovered at CERN and Fermilad one by one, awarded with Nobels. The last piece was the Higgs particle, whose detection in 2012 capped this era. It involved not only verification of the predictions of the Standard Model, but the attempt to see beyond it. The former was an unqualified success, perhaps too much so, as the latter has been disappointment.

Until the age of 70 Jack was the spokesperson of the ALEPH experiment, and took part in the design of the detector and analysis of the results. ALEPH was a detector in the LEP collider, which started operation in 1989. The tunnel dug a hundred meters underground for LEP today houses the Large Hadron Collider.

In 1995 Jack left active research, because he felt he had no more ideas to give. He continued as an advisor to experimental groups into his nineties. After quitting particle physics research, Jack started studying and following cosmology and astrophysics. The anisotropies of the cosmic microwave background had been measured only three years earlier.

I met Jack in 2004. I was a postdoc at Oxford and had just published my first paper after my PhD. There I proposed (not as the first) that the accelerating expansion of the of the universe could be due to cosmological structure formation. The cosmologist Dominik Schwarz, then at CERN, invited me to come over and give a talk about it.

Jack, then 82, took part in the seminar, as usual. Jack knew how to make simple but penetrating questions on any topic.

After the talk we continued discussing in the corridor, and Jack proposed a simple approach to better figure out the effect of structures on the average expansion rate. I had some objections related to the treatment of time in general relativity, to which Jack simply replied “I don’t know what time is, you do”. He could be both stingingly critical and sincerely humble.

Two years later I ended up via my own route to write an article about the idea Jack had proposed. It was my second breakthrough in the topic, and there I realised the physical content the meaning of the equations beyond mathematics. If I had followed the idea Jack threw out in a short conversation after hearing one talk, it could have saved me a year.

In those days the CERN theory unit hired one cosmologist a year. In 2007 that was me, and I started a two-year postdoc there. Jack considered me his information source on cosmology, and came to my door with questions.

I recall that one day he came to my office and said something along the lines of “this is a scientists’ petition against nuclear weapons, and I hope you’ll sign it”. This sort of an example has an effect on what one sees as proper for physicists.

Jack continued to attend seminars, but now his questions sometimes showed that he had missed something obvious, and couldn’t catch it. This is not unknown to younger folk, but Jack felt the dulling of his thinking, and it frustrated him.

I met Jack the last time in January 2010, when I was spending two months at CERN. I wanted to take a photo of him at his office, and he insisted us being together in the photo. We talked about the effect of structures on the average expansion rate of the universe. He said that the problem probably won’t be solved before he is dead. I was struck by this, and mumbled something along the lines of that isn’t that a sad way to think. Jack answered: “Yes. It is sad to grow old and it is sad to die.”

---

Potkut ylöspäin

20.12.2020 klo 20.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minä ja yhteistyökumppanini Dani Figueroa, Sami Raatikainen ja Eemeli Tomberg julkistimme viikon alussa artikkelin siitä, miten mustia aukkoja tehdään.

Pari vuotta sitten minä ja Eemeli Tomberg tutkimme sitä mahdollisuutta, että pimeä aine koostuu höyrystyneiden mustien aukkojen jäänteistä, joiden massa on mikrogramman luokkaa. Nyt katselimme tavanomaisempia mustia aukkoja, joilla on massaa noin 10^(16) eli kymmenen miljoonaa miljardia kiloa, saman verran kuin kohtuullisella asteroidilla. Tällaiset mustat aukot olisivat atomin kokoisia.

Mustia aukkoja ehdotettiin pimeäksi aineeksi jo vuonna 1975. Sittemmin on esitetty monia ideoita siitä, miten niitä tuotettaisiin tarpeeksi. Tavallinen reitti tähdistä romahduksen kautta mustiksi aukoiksi ei käy, koska pimeää ainetta on olemassa ennen tähtien syttymistä ja sitä on paljon enemmän kuin tähtiä.

Mustaan aukkoon ei tarvita muuta kuin se, että pakataan massaa tarpeeksi tietyn säteen sisälle. Yksi lupaava mahdollisuus on se, että mustiksi aukoiksi romahtavat klimpit syntyvät samalla tavalla kuin maailmankaikkeuden kaikkien muidenkin rakenteiden–oikeiden asteroidien, planeettojen, tähtien, galaksien, galaksiryppäiden, ja niin edelleen– siemenet.

Kosminen inflaatio on paras selitys sille, miksi maailmankaikkeudessa on rakenteita, sen sijaan että kaikki olisi tasaista puuroa. Inflaation aikana jokin avaruuden täyttävä kenttä ajaa maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista. Inflaation edetessä kentän voimakkuus laskee, kunnes se ei enää lopulta pysty ylläpitämään inflaatiota.

Inflaation aikana kentän kvanttivärähtelyt –sattumanvaraiset kentän arvon muutokset– venyvät hiukkasfysiikan pituuksista kosmisiin mittoihin. Inflaation loppuessa ja laajenemisen hidastuessa kenttä hajoaa, ja kvanttivärähtelyistä tulee epätasaisuuksia tavallisessa aineessa. Kvanttivärähtelyt ovat sitä isompia, mitä hitaammin kentän arvo muuttuu.

Kenttä käyttäytyy kuin pallo, joka vierii mäkeä veden alla. Tässä vertauksessa mäen jyrkkyys vastaa kentän vuorovaikutusta: mitä vahvemmin kenttä vuorovaikuttaa, sitä nopeammin sen arvo laskee. Maailmankaikkeuden laajeneminen hidastaa kentän muutosta, kuten vesi pallon vierimistä. Isompi laajenemisnopeus vastaa tiheämpää nestettä. Kosmologit havainnollistavatkin kentän kehitystä liikkeeseen liittyvien mielikuvien avulla.

Mustien aukkojen aikaansaaminen vaatii isoja epätasaisuuksia, joten kentän pitää liikkua hyvin hitaasti. Erilaisia inflaatiomalleja, joissa on sopivan heikkoja vuorovaikutuksia, onkin ehdoteltu jo joitakin vuosia. Eemeli Tombergin kanssa esitimme syylliseksi Higgsin kenttää.

Nyt kiinnitimme huomiomme siihen, miten kvanttivärähtelyt vaikuttavat kentän vierimiseen mäkeä alas. Yleensä inflaatiossa kvanttivärähtelyt ovat niin pieniä, että niillä ei ole merkitystä liikkeen kannalta. Mutta tapauksissa, missä voi syntyä mustia aukkoja, kvanttivärähtelyjen pitää olla tavallista isompia, ja lisäksi kenttä liikkuu hyvin hitaasti. Niinpä kvanttivärähtelyt saattavat potkia kenttää alas rinnettä, niin että inflaatio tapahtuu nopeammin, tai ylös rinnettä, jolloin inflaatio kestää kauemmin.

Kvanttipotkujen vaikutusta inflaatiokentän liikkeeseen on tutkittu vuodesta 1986 alkaen. Me olimme ensimmäisiä, jotka ottivat johdonmukaisesti huomioon sen, että kenttä vaikuttaa kvanttivärähtelyihin, jotka vaikuttavat kenttään, mikä muuttaa kvanttivärähtelyitä. Aiemmin viimeinen osa ketjua oli jätetty pois, tai sitä oli käsitelty puutteellisesti.

Näitä toisiinsa kytkeytyneitä asioita ei voi laskea kynällä ja paperilla. Niinpä simuloimme inflaatiota tietokoneella 256 miljoonaa kertaa. Seurasimme yksityiskohtaisesti mitä tapahtuu sellaiselle avaruuden alueelle, joka on noin atomin kokoinen vähän inflaation jälkeen. Inflaatiomallimme oli säädetty tuottamaan tuohon mittakaavaan isoja epätasaisuuksia, ja pidimme kirjaa, kuinka usein alueessa on tarpeeksi massaa, että se romahtaa mustaksi aukoksi.

Tuloksena oli, että potkujen kanssa mustia aukkoja syntyy satatuhatta kertaa enemmän kuin ilman niitä. Kvanttivärähtelyt hidastavat kentän kehitystä potkiessaan sitä taaksepäin, mikä puolestaan kasvattaa kvanttivärähtelyitä.

Kuten valtaosa tieteellisistä artikkeleista, työmme on vain pieni askel. Inflaatio ja pimeä aine ovat laajoja tutkimusaiheita. Mustia aukkoja tuottava inflaatio on yksi mahdollisuus monien joukossa, ja tuloksemme edistää sen ymmärrystä hieman.

Muutaman sivun artikkelimme on maistiainen laajemmasta kokonaisuudesta, missä käsittelemme eri massaisia mustia aukkoja, selitämme pulmia ja käymme tarkemmin läpi siitä, miten kvanttivärähtelyjen muutos klassisen fysiikan lakeja noudattaviksi epätasaisuuksiksi liittyy touhuun. Tämä onkin hauska aihe.

---

Edistys ja rappio

30.11.2020 klo 17.24, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Luin filosofi Imre Lakatoksen kirjoituskokoelman The methodology of scientific research programmes. Vuonna 1974 kuollut Lakatos muistetaan erityisesti tieteen ja ei-tieteen eron selventämisestä.

Luonnontieteen kehityksen myötä muodostui haparoiden uudenlainen käsitys siitä, miten maailmasta voi saada tietoa havaintojen avulla. 1600-luvulla Francis Bacon esitti, että luonnonlait voi löytää vain merkitsemällä järjestelmällisesti muistiin kaikki oleelliset havainnot ja setvimällä miten ne liittyvät toisiinsa sen kummempia teoretisoimatta.

Oikeasti luonnonlakien löytäminen vaatii kaikenlaisia oletuksia. Tämä herättää kysymyksen siitä, mitkä oletukset kelpaavat ja mistä tietää luonnonlakien olevan oikeita. Eri oletukset eivät nimittäin johda vain erilaisiin vastauksiin, vaan myös eriäviin näkemyksiin siitä, mitkä ovat oleellisia kysymyksiä. Tähtitiede ei tarjoa vastauksia sellaisiin ihmiselämää koskeviin ongelmiin, mitä astrologia yrittää ratkoa. Voiko tästä päätellä, että tähtitiede on epäonnistunut?

1930-luvulla filosofi Karl Popper esitti, että vaikka havainnot (toisin kuin Bacon ajatteli) eivät riitä teorian rakentamiseen, ne riittävät sen tuhoamiseen. Popperin mukaan teoria on tieteellinen, jos se tekee ennusteita, joita voi testata, ja jos ennusteet eivät vastaa havaintoja, niin teoria pitää hylätä.

Nyt ongelmana ei ole se, että ei tiedettäisi mitkä lähtöoletukset kelpaavat: minkä tahansa teorian voi esittää, kunhan sitä koettaa havaintoja vasten. Mutta mitkä havainnot kelpaavat? On lähes aina havaintoja, jotka ovat ristiriidassa teorian kanssa. Fysiikassa onkin sellainen kansanviisaus, että jos teoria sopii kaikkiin havaintoihin, niin se on varmasti väärin, koska osa havainnoista on väärin.

Lakatos, joka kehitti ideoitaan Popperin vaikutuspiirissä, esitti kirjaan kootuissa teksteissään, että kysymyksen teorian tieteellisyydestä voi ratkaista vain tarkastelemalla sitä osana tutkimusohjelmaa. Lakatoksen mukaan tutkimusohjelmalla on ydin, jota ympäröi joukko apuoletuksia. Ydin on ohjelman perusta, jota ei voi muuttaa ilman että olisi kyse toisesta ohjelmasta. Mutta jos havainnot ovat ristiriidassa ennusteiden kanssa, apuoletuksia voi muuttaa ytimen suojaamiseksi.

Esimerkiksi Newtonin painovoimateorian ydin on se, että kaikki kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on verrannollinen niiden massaan ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyteen. Kun teoriaa sovelletaan liikkeisiin Aurinkokunnassa, mukana on sellaisia apuoletuksia kuin että Aurinkokunnan ulkopuoliset massat voi jättää huomiotta, että Aurinkokunnassa ei ole näkymättömiä massoja, ja niin edelleen.

Kun havainnot eivät vastaakaan teoriaa, ensimmäiseksi etsitään puutteita havainnoista ja laskuista, ja sitten muutetaan apuoletuksia.

Jos planeettojen radat eivät vastaa havaintoja, voi esittää, että on olemassa uusi planeetta, jonka gravitaatio selittää havaitut poikkeamat. Entä jos planeettaa ei löydy sieltä mistä pitäisi? Silloin voi taas muuttaa oletuksia, esimerkiksi pienentää planeettaa ja lisätä avuksi asteroideja. Jos niitäkään ei löydy, voi muuttaa oletuksia asteroidien kirkkaudesta, ja niin edelleen, kuten tehtiin 1800-luvulla Vulkanuksen pelastamiseksi ja Merkuriuksen radan poikkeavan kiertymisen selittämiseksi.

Oletuksia voi lisätä ja muutella periaatteessa loputtomiin, ja käytännössä niin tehdään, kunnes joku saa paremman idean (ja jotkut vielä sen jälkeenkin, kuten eetterin tapaus osoittaa). Mutta milloin touhu lakkaa olemasta tiedettä?

Lakatos jakoi tutkimusohjelmat edistyviin ja degeneroituviin. Tutkimusohjelma on edistyvä, jos uudet oletukset johtavat uusiin ennusteisiin, jotka havainnot varmentavat. Muutoin tutkimusohjelma on degeneroituva.

Edistyvää tutkimusohjelmaa voi pitää tieteellisempänä kuin degeneroituvaa tutkimusohjelmaa. Mutta ei ole yksiselitteistä rajaa sille, milloin degeneroituvan tutkimusohjelman jatkaminen ei ole enää tieteellistä. Voi olla kuiva kausi, jonka jälkeen tutkimusohjelma puhkeaa taas kukkaan. Esimerkiksi yleisen suhteellisuusteorian saralla ei juuri tehty oleellisia uusia havaintoja 1930- ja 50-lukujen välissä.

Tieteenhistoriassa –etenkin populaarissa– kiinnitetään usein huomiota keskeisiin kokeisiin, jotka määräävät tutkimusohjelmien kohtalon. Lakatos korosti sitä, että usein kokeet kuitenkin tunnistetaan ratkaiseviksi vasta sen jälkeen, kun uusi tutkimusohjelma on korvannut edeltäjänsä. Kuten vain havainnot voivat lopulta kertoa onko teoriasta mihinkään, vain teoria voi selvittää, mitkä havainnot ovat tärkeitä.

Esimerkiksi vuodesta 1859 asti tiedettiin, että havaittu Merkuriuksen radan kiertymä ei vastaa Newtonin teorian ennustetta, mutta tästä tuli historiallinen virstanpylväs vasta 1915, kun yleinen suhteellisuusteoria selitti kiertymän ja korvasi Newtonin teorian. Toisin kävi Pioneer-anomalialle: vuosikymmenten ajan havainnot luotainten Pioneer 10 ja 11 radoista poikkesivat yleisen suhteellisuusteorian ennusteista, kunnes ongelma ratkesi korjaamalla oletuksia luotainten lämpösäteilyn vaikutuksesta niiden liikkeeseen.

Monet fyysikot ovat sitä mieltä, että filosofiasta ei ole hyötyä tutkimuksen tekemisessä. Siitä voi kuitenkin olla apua sen päättämisessä, mitä fysiikan teorioita kannattaa tutkia. Esimerkiksi fyysikot ovat käyneet kiivaita väittelyitä säieteoriasta ja multiversumi-ideasta. Molempien hahmottaminen tutkimusohjelmina, ja niistä kumpuavien ideoiden tarkasteleminen tutkimusohjelman kehityksen kautta, voi auttaa niiden sijoittamisessa tieteen kentälle.

Ainakin se parantaisi suuren yleisön ymmärrystä tieteen tekemisestä ja sisällöstä. Valitettavasti tällainen tutkimusohjelmaan pohjaava kehystys on kiisteltyjen tiedeaiheiden kohdalla tiedotusvälineissä harvinaisempi kuin viitekehyksestä irrotetut yksittäisen artikkelin, idean tai kokeen sensaatiohakuiset esittelyt.

Kuhinan kartta

26.11.2020 klo 23.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Eilen Mairi Sakellariadou Lontoon King’s Collegesta puhui Helsingin kosmologiaseminaarisarjassa etänä gravitaatioaaltotaustasta.

LIGO/Virgo-laitteet ovat havainneet tusinoittain gravitaatioaaltoja. Viimevuotisen 26 viikkoa kestäneen kolmannen havaintokauden aikana ne näkivät 39 mahdollista signaalia, joissa lienee kyse mustien aukkojen ja/tai neutronitähtien parin törmäyksestä.

Yksittäisten kohteiden lähettämien aaltojen lisäksi on olemassa gravitaatioaaltotausta. Se on kohinaa, josta ei pysty erottamaan aaltojen lähdettä, ja joka voi häiritä muiden aaltojen havaitsemista. Mutta yhden kohina on toisen signaali: kaikki aallot kantavat jotain tietoa.

Kun Arno Penzias ja Robert Woodrow Wilson havaitsivat kosmisen mikroaaltotaustan vuonna 1964, se oli taustahäiriö. Kosminen mikroaaltotausta on peräisin elektronien ja valon viimeisestä kohtaamisesta ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli 380 000 vuotta vanha. Siitä on mahdotonta erottaa yksittäisen elektronin säteilyä, mutta tilastolliset piirteet –paljonko säteilyä tulee mistäkin suunnasta ja milläkin aallonpituudella– kertovat paljon. Myös gravitaatioaaltotausta on kiinnostava kohde.

Toistaiseksi LIGO ei ole ollut tarpeeksi herkkä kuullakseen gravitaatioaaltotaustan hälyä. Laitteita kuitenkin parannetaan joka havaintokauden välissä. Seuraavalla kaudella LIGOn ja seuraan liittyneen KAGRAn odotetaan olevan niin tarkkoja, että ne kuulevat jatkuvaa avaruuden kohinaa. Suurin ongelma on se, että laitteissa käytettävät magneetit reagoivat pieniin muutoksiin Maan magneettikentässä, ja tämän vaikutus pitää saada erotettua gravitaatioaalloista.

Gravitaatioaaltotausta on peräisin lähteistä, jotka ovat liian lukuisia ja heikkoja, jotta ne havaittaisiin yksinään. Se voidaan jakaa kahteen osaan.

Ensinnäkin on astrofysikaalinen (hienompi sana tähtitieteelle) gravitaatioaaltotausta, joka syntyy mustien aukkojen ja neutronitähtien pareista, jotka ovat niin heikkoja ja lukuisia, että niitä ei yksittäin havaita. Tämä tausta on varmasti olemassa: näitä pareja on nähty, ja heikkoja lähteitä lienee enemmän kuin vahvoja.

Toisekseen on kosminen gravitaatioaaltotausta. Sitä eivät ole synnyttäneet mitkään kappaleet, vaan hiukkasfysiikan kosmiset ilmentymät, kuten inflaatio, aineen olomuodon muutokset varhaisessa maailmankaikkeudessa, ja mahdollisesti kosmisten säikeiden silmukat, jos kosmisia säikeitä on olemassa.

Mustien aukkojen ja neutronitähtien pareista peräisin olevan kohinan voimakkuudesta voi päätellä, paljonko pareja on ja mitkä niiden massat ovat. Tai oikeammin sanottuna, jos tietää parien määrän ja massat, niin voi laskea kohinan voimakkuuden. Voimakkuus sen sijaan rajoittaa mahdollista massajakaumaa, ei täysin määrää sitä. Kosmisesta tapahtumasta peräisin olevan kohinan voimakkuus kertoo siihen liittyvästä hiukkasfysiikasta.

Kun kohinan voimakkuus on mitattu, seuraava vaihe on sen selvittäminen, millä painolla siinä on eri aallonpituuksia ja miten se vaihtelee eri suunnissa. Kosmisen mikroaaltotaustan tapauksessa kesti 28 vuotta edetä ensimmäisestä askeleesta toiseen. Penzias ja Wilson mittasivat vuonna 1964 vain tasaisen kohinan kapealla aallonpituusalueella. Vasta vuonna 1992 COBE-satelliitti sai mitattua kohinan voimakkuuden monella aallonpituudella ja sen epätasaisuuden taivaalla.

Gravitaatioaaltotaustan tapauksessa kohinan voimakkuuden riippuvuus aallonpituudesta kertoo, ovatko kyseessä mustien aukkojen pärskeet vai kosminen gravitaatioaaltotausta – ja jälkimmäisessä tapauksessa myös, mikä kosminen tapahtuma on kyseessä.

Nykyisillä laitteilla odotetaan saavan mitattua kohinan epätasaisuuksia, mutta tarkkuus on vain viidesosa COBEn kosmisen mikroaaltotaustan mittauksesta – mikä puolestaan on vain sadasosa parhaan koko taivaan mikroaaltokokeen, Planck-satelliitin, tarkkuudesta. Gravitaatioaaltotaivaasta saadaan vain hyvin karkea kartta. Myöskään voimakkuuden riippuvuutta aallonpituudesta ei saada mitattua tarpeeksi hyvin, että voitaisiin sanoa, onko kyseessä mustien aukkojen kohina vai jotain eksoottisempaa.

Nykyisten kokeiden kaavaillut maanpäälliset seuraajat Cosmic Explorer ja Einstein Telescope pystyisivät jo ensimmäisenä toimintavuonnaan erottamaan toisistaan tähtitieteellisen ja kosmisen kohinan – olettaen, että on olemassa tarpeeksi vahva kosminen gravitaatiotaaltotausta, ja se saadaan erotettua mustien aukkojen ja neutronitähtien aiheuttamasta taustasta. (Taivaallisista seuraajista täällä ja täällä.)

Viime viikolla ilmeni, että ilmeisesti pandemiaan liittyvien toimitusvaikeuksien takia LIGOn ja Virgon (sekä KAGRAn) neljännen havaintokauden alku on viivästynyt ainakin kesäkuuhun 2022. Ensimmäisiä karttoja avaruuden kuhinasta saadaan siis odottaa vielä muutama vuosi, joten tutkijoilla kuten Sakellariadoulla on aikaa tarkemmin laskea, millainen tausta tarkalleen on ja miten se saadaan suodatettua havainnoista.

---

Viisareiden värähtelyä

30.10.2020 klo 21.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yhdysvaltalaisen NANOGrav-tutkimusryhmän jäsen Neil Cornish piti eilen etänä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarin NANOGravin tuoreista tuloksista, jotka saattavat vihjata gravitaatioaaltojen löytymiseen päin.

Kokeet LIGO ja Virgo näkevät nykyään gravitaatioaaltoja harva se viikko silloin kun ovat päällä, mutta NANOGravin tapauksessa on uutta sekä menetelmä että –jos on tosiaan löydetty gravitaatioaaltoja– aaltojen lähde.

NANOGrav tarkkailee pulsareita Linnunradassa. Pulsarit ovat neutronitähtiä (tai valkoisiksi kääpiöiksi kutsuttuja tiheitä tähtiä), jotka pyörivät hyvin nopeasti ja lähettävät sähkömagneettista säteilyä. NANOGravin seuraamat pulsarit viuhkivat akselinsa ympäri lähes tuhat kertaa sekunnissa: niiden pinta liikkuu lähellä valonnopeutta. Pulsari pursuttaa radioaaltoja kahteen suuntaan, jotka määräytyvät sen magneettikentästä. Niinpä pulsarin pyöriessä sen meille näkyvä signaali vilkkuu tiuhaan päälle ja pois (paitsi jos se ei koskaan osoita meihin päin).

Pulsarit ovat hyvin vakaita. Niinpä niitä voi käyttää tarkkoina kelloina: vajaa tuhat viisariniskua sekunnissa tekee vuodessa yli 10 miljardia lyöntiä. Olen jopa kuullut ehdotuksesta, että ajan yksikkö määriteltäisiin pulsarien avulla, mutta atomikellot taitavat kuitenkin olla luotettavampia.

Gravitaatioaallot havaittiin alun perin juuri pulsareiden avulla. Vuonna 1974 löydettiin ensimmäinen toisiaan kiertävän pulsarin pari. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, että pulsaripari ajautuu lähemmäs toisiaan, koska se menettää energiaa lähettämällä gravitaatioaaltoja. Signaalien muutoksesta saatiin tarkasti mitattua pulsarien liikkeet ja todettua, että ennuste pitää kutinsa. Tästä myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1993.

NANOGrav sen sijaan perustuu siihen, että meidän ja pulsarin välissä kulkevat gravitaatioaallot muuttavat pulsarin etäisyyttä meistä ja siksi sen radiosignaalien saapumisaikaa.

NANOGravin uudet tulokset perustuvat 12.5 vuoden havaintoihin 47 pulsarista väliltä 2004-2017. Havainnot osoittavat, että pulsarien kellonlyönnit muuttuvat välillä hitaammiksi ja sitten nopeammiksi jokusen vuoden jaksolla. Pulsarien signaali muuttuu yhteisellä tavalla, eli kyse ei voi olla muutoksista pulsareissa. Vaikutuksen koko on miljardisosan miljoonasosa, mikä tuntuu tavattoman pieneltä, mutta on silti miljoona kertaa isompi kuin LIGOn havaitsemien gravitaatioaaltojen korkeus.

Todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma, on noin 1:30 000. Hiukkasfysiikassa tämä ei riitä löytöön, vahvaan kiinnostukseen kylläkin. Mutta vaikka sattuman todennäköisyys olisi kuinka pieni, löytöä ei sovi julistaa ennen kuin kaksi ehtoa täyttyvät: systemaattiset virheet ymmärretään ja signaalilla on teoreettinen selitys.

Suunnilleen vuoden pituinen jakso on epäilyttävä, koska se on lähellä Maan kiertoaikaa Auringon ympäri, ja muutkin asiat Aurinkokunnassa kehittyvät suunnilleen samalla aikaskaalalla. Maapallon yläilmakehä ja Aurinkokunnan avaruussää (jota Helsingin yliopistossakin tutkitaan) muuttuvat ja vaikuttavat radioaaltojen kulkuun.

Analyysissä pitää myös tuntea Maapallon rata erittäin tarkasti, koska muutos signaalissa on hyvin pieni. On tärkeää, että epätarkkuus Jupiterin radassa on viime vuosina laskenut 50 kilometristä 10 kilometriin, ja Aurinkokunnan massakeskipisteen tunnetaan nyt 10 metrin tarkkuudella. Tähän on 1600-luvulta alkanut tarkka taivaan mallintaminen päässyt.

Tämä on esimerkki fysiikan eri alueiden yhteyksistä: kehitys yhdessä aiheessa voi mahdollistaa etenemisen aivan eri suunnassa. Avaruussäällä ja planeettojen radoilla ei ole gravitaatioaaltojen kanssa sinällään mitään tekemistä, mutta niiden ymmärtäminen on tärkeää niiden analysoimisessa.

Jos signaalin muutos liittyisi Maapallon liikkeisiin, niin havainnoissa näkyisi vaihtelu ei vain ajassa vaan myös paikassa: signaali olisi yhdessä suunnassa isompi ja toisessa pienempi sen mukaan, miten Maa kulkee. Havaintojen perusteella tämä vaihtoehto voidaan sulkea pois.

Myös gravitaatioaaltojen aiheuttama signaali riippuu suunnasta. Vesiaalto värähtelee ylös ja alas kohtisuoraan kulkusuuntaansa nähden. Samoin gravitaatioaalto värähtelee kohtisuoraan kulkusuuntaansa nähden. Mutta gravitaatioaalto ei värähtele vain yhdessä suunnassa, vaan tasossa, joka on kulkusuuntaan kohtisuorassa. Niinpä aallon kulkiessa Aurinkokunnan läpi pulsarien signaaleissa pitäisi näkyä teorian ennustama vaihtelu tasossa, joka riippuu aallon kulkusuunnasta.

Kuten NANOGrav-ryhmä korostaa, ennen tällaisen vaihtelun mittaamista ei voi väittää nähneensä gravitaatioaaltoja. Tästä on havainnoissa korkeintaan heikkoja merkkejä. Teoreettisesti odotettu vaihtelu on kuitenkin niin pieni, että sitä ei olisi voitukaan näistä havainnoista erottaa.

Kiinnostavin kysymys on se, että jos signaali on todellinen, niin mistä se on peräisin? Mikä tuottaa näin heikkoja aaltoja noin vuoden jaksolla?

Kärkiehdokas on kaksi jonkun galaksin keskustassa toistensa ympärillä pyörivää jättiläismäistä mustan aukkoa – sellaista, jonka Event Horizon Telescope kuvasi viime vuonna ja jollaisen löytämisestä Linnunradassa juuri myönnettiin Nobelin palkinto. Selityksen etuna on se, että tällaisia mustia aukkoja on todella olemassa, vaikka ei tiedetäkään kuinka usein ne pariutuvat.

Sopivia gravitaatioaaltoja voi syntyä myös kosmisessa inflaatiossa ensimmäisen sekunnin perukoilla, kvarkkien sitoutuessa hadroneiksi muutaman ensimmäisen mikrosekunnin aikana tai kosmisten säikeiden taitoksissa myöhäisempinä aikoina. Kaikki kolme jälkimmäistä vaihtoehtoa vaatisivat jotain uusia hiukkasfysiikan teorioita. Teoreetikoilla on niitä hyllyllä valmiina, ja kymmeniä uusia onkin jo esitetty.

Eri lähteiden synnyttämien gravitaatioaaltojen korkeus riippuu aallonpituudesta hieman eri tavalla, joten vaihtoehdot voidaan erottaa tarkemmilla havainnoilla – jos kyseessä on gravitaatioaallot.

Kun LIGOn herkkyys vuonna 2015 ylitti gravitaatioaaltojen havaitsemisen rajan, se keräsi sekunnissa tarpeeksi dataa löytöön. NANOGravin tapaus muistuttaa enemmän hiukkaskiihdyttimiä, missä näkyy ensin heikko signaali, joka tarkentuu, kun kerätään lisää dataa, ja lopulta joko osoittautuu olemattomaksi tai varmistuu.

Samanlaisia mittauksia ovat tehneet myös eurooppalainen ryhmä EPTA ja australialainen PPTA, ja kaikkien kolmen yhdistettyä dataa on jo alettu käydä läpi. Lisäksi NANOGrav parantaa analyysiään muun muassa tarkemmalla avaruussään mallintamisella, ja kerää lisää dataa.

Suurin merkitys on kuitenkin NANOGravin jo haavissa olevilla havainnoilla, joita ei ole vielä ehditty perata. Ryhmä analysoi par’aikaa vuoteen 2019 ulottuvaa 15 vuoden havaintoaineistoa, ja tuloksia sopii odottaa julki vuoden kuluttua. Tarkkuus kasvaa nopeasti lisädatan myötä, ja jos NANOGrav on nähnyt gravitaatioaaltoja, sillä on niistä tilastollisesti kiistaton todiste ensi vuonna.

---

Kosmologia ja ihmiskunta

26.10.2020 klo 14.24, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Perjantaina 30.10. kello 15 puhun etänä kosmologiasta Helsingin yliopiston tiedekasvatuksen luentosarjassa. Luennot on suunnattu lukiolaisille. Opettajat voivat tiedustella osallistumiseen vaadittavaa salasanaa ja osallistumisohjeita tiedeluentojen koordinaattorilta osoitteesta iiris.lukkarinen@helsinki.fi. Luennon nauhoitus on vapaasti katsottavissa täällä.

Perjantaina 13.11. kello 18 puhun Maunula-talolla otsikolla Ihmiskunnan historia ajalta ennen Maapalloa. Edellisenä päivänä astrobiologi Kirsi Lehto puhuu kello 18 siitä, miten maailma on kehittynyt nykyiselleen. Molempina päivinä ennen luentoa kello 12-18 ambientklubi Lovin DJ:t soittavat musiikkia Maunula-talon aulassa. Koko tiedeviikonlopun ohjelma on täällä. Esitykseni nauhoitus on vapaasti katsottavissa täällä.

Päivitys (28/10/2020): Korjattu Maunulan puheen päivämäärä.

Päivitys (05/11/20): Lisätty linkki tiedekasvatusluennon nauhoitukseen.

Päivitys (14/11/20): Lisätty linkki Maunula-talon esityksen nauhoitukseen.

---

Kenties suurin mysteeri

19.10.2020 klo 14.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehden Rihveli numerosta 2/2020 voi lukea kirjoitukseni Kenties suurin mysteeri pimeästä energiasta. Se alkaa näin:

”Maailmankaikkeuden laajeneminen on yksi kosmologian tärkeimpiä tutkimuskohteita, ja se on mullistanut ajattelua halki viime vuosisadan. Vuonna 1924 huomattiin, että Linnunrata onkin vain yksi galaksi lukemattomien joukossa. Sitä ennen luultiin, että Linnunradan ulkopuolella on vain tyhjää avaruutta. Tämä oli iso siirtymä: Nikolaus Kopernikus oli siirtänyt Maapallon pois Aurinkokunnan keskustasta, sitten ymmärrettiin tähtien olevan toisia aurinkoja, ja lopulta kotigalaksimmekin osoittautui vain yhdeksi kosmisen pölyn hiukkaseksi.”

Samassa numerossa on Kaisa Kankaan artikkeli Matematiikan rajoilla logiikasta ja todistamisesta.