Kosmokseen kirjoitettua

Ekologinen eläintarha

26.5.2021 klo 16.56, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin kymmenen vuotta sitten mustista aukoista seuraavasti:

”Tällä hetkellä mustat aukot ovat tunnetun fysiikan rajalla: enemmän kuin pelkkiä arveluita, mutta vailla kiistatonta kokeellista varmennusta. Aihe yhdistää eri aloja: teoreettista ja kokeellista astrofysiikkaa, gravitaatioaaltojen fysiikkaa, hiukkasfysiikkaa ja suhteellisuusteoriaa. Tilanteessa on mielenkiintoisia teoreettisia mahdollisuuksia, ja kokeellinen tutkimus voi tarjota jotain sykähdyttävää.”

Neljä vuotta myöhemmin saatiin ensimmäinen suora havainto gravitaatioaalloista. Havaintoja on julkistettu nyt 50, ja suurin osa niistä vastaa hyvin yleisen suhteellisuusteorian ennusteita mustien aukkojen törmäyksistä. Jokusessa ainakin yksi parin jäsen on neutronitähti, ja muutamassa törmäilijöiden turhan pieni tai yllättävän korkea massa on herättänyt epäilyjä siitä, onko kyseessä sittenkään musta aukko tai neutronitähti, ainakaan tähden romahduksesta syntynyt.

Vuonna 2019 Event Horizon Telescope otti ensimmäisen valokuvan tapahtumahorisontin lähistöltä. Vuonna 2020 Nobelin palkinto meni (taas) mustille aukoille, teoreettisesta todistuksesta niiden muodostumisesta ja tarkoista havainnoista Linnunradan keskustan mustan aukon tienoilta.

Nyt on mustien aukkojen kulta-aika, ja niin tähtitieteilijät, kosmologit, kvanttigravitaatioteoreetikot kuin hiukkasfyysikotkin ovat kiireisiä aiheen parissa. Voisi siis luulla, että mustien aukkojen olemassaoloa ei enää juuri kyseenalaisteta. Asia on kuitenkin juuri päinvastoin. Koska on paljon uusia havaintoja, on mahdollista tarkemmin selvittää, onko kyse todella mustista aukoista.

Kappaleille, jotka näyttävät suunnilleen mustilta aukoilta on annettu nimi Eksoottinen Kompakti Objekti eli EKO (engl. Exotic Compact Object, ECO). Niitä on iso eläintarha, kuten fysiikassa vaihtoehtoisten kappaleiden tai hiukkasten kokoelmaa yleisesti kutsutaan. Eläintarha voidaan jakaa kahteen luokkaan.

Ensimmäisessä luokassa ovat kappaleet, jotka korvaavat mustat aukot. Yleinen suhteellisuusteoria ei ehkä kuvaa romahduksen lopputulosta täysin oikein, vaan se on yleisen suhteellisuusteorian pätevyysalueen ulkopuolella. Tällöin tarvitaan laajempi teoria gravitaatiosta –kuten säieteoria, silmukkakvanttigravitaatio tai jokin muu spekulatiivinen teoria– kertomaan mitä tapahtuu.

Yksi vaihtoehto on se, että kvanttifysiikka estää tapahtumahorisontin muodostumisen, ja tähti romahtaa loputtomasti, aina vain hitaammin. Toisaalta mustat aukot korvaavilla kappaleilla voi olla monimutkainen sisärakenne, joka vaikuttaa niiden käytökseen. Jacob Bekenstein oivalsi ja Stephen Hawking osoitti 1970-luvulla, että mustilla aukoilla on lämpötila ja entropia. Entropia on suure, joka mittaa sitä, montako toisistaan erotettavaa rakennuspalikkaa kappaleella on. Mustien aukkojen entropia herättää kysymyksen siitä, millainen niiden sisärakenne on.

Jotkut pitävät säieteorian suurena saavutuksena sitä, että siitä laskettiin mustilla aukoilla olevan juuri se entropia, minkä Bekenstein ja Hawking olivat päätelleet, ja selitettiin mitä niiden sisällä on. Lasku ei kuitenkaan kuvaa sellaisia mustia aukkoja, joita on oikeasti olemassa. Myös silmukkakvanttigravitaatiosta on laskettu sama entropia, mutta laskussa on tehty oletuksia, jotka eivät kaikkia vakuuta. On siis erilaisia ideoita siitä, mitä mustien aukkojen sisällä on, mutta asiasta ei ole varmuutta.

EKOjen toinen luokka ovat pienet ja tiheät kappaleet, jotka eivät korvaa mustia aukkoja vaan ovat olemassa niiden lisäksi. Ne eivät välttämättä synny tähtien romahduksessa, vaan aivan muulla tavoin. Tutkituin vaihtoehto on bosonitähdet.

Alkeishiukkasia on kahdenlaisia: fermioneita ja bosoneita. Tuntemamme aine koostuu fermioneista. Fermioneja ei voi olla kahta samassa tilassa. Tämän takia niistä voi pinota monimutkaisia rakenteita, ja atomit ja neutronitähdet pysyvät koossa.

Bosoneita voi sen sijaan olla samassa tilassa miten monta tahansa. Esimerkiksi laserissa on monta valohiukkasta samassa tilassa. Valo ei voi muodostaa rakenteita, koska se on massatonta ja liikkuu siksi valonnopeudella. Mutta jos on olemassa bosoni, jolla on massa ja joka ei hajoa nopeasti, niin sen hiukkaset voivat samassa tilassa yhtyä suureksi tähdeksi, joka on kuin jättimäinen alkeishiukkanen.

Bosetähdet voivat kenties räjähtää, ja tällaisen bosenovan voisi havaita. (Tässä näkyy fysiikan huumori: sana bosenova kuulostaa samalta kuin musiikkilaji bossa nova.) Toisaalta niiden törmäyksiä voisi havaita gravitaatioaaltojen kautta, mustien aukkojen tapaan. Bosonitähtien koko määräytyy hiukkasen massasta. Koska havaituissa gravitaatioaalloissa näkyy iso kirjo massoja, vain pieni osa niistä olisi mahdollista selittää bosonitähdillä.

Kummankin luokan EKOilla on neljä keskeistä ominaisuutta, jotka voivat olla erilaisia kuin mustilla aukoilla: koko suhteessa massaan, muoto, pinnan heijastavuus ja tapahtumahorisontti (tai sen puute).

On sikäli helppo etsiä merkkejä vaihtoehdoista mustille aukoille, että mustat aukot ovat hyvin yksinkertaisia kappaleita. Kaikki yksinäiset samanmassaiset ja yhtä nopeasti pyörivät mustat aukot ovat samanlaisia. Ne ovat symmetrisiä pyörimisakselin suhteen, ja samanlaisia kiertotaso ylä- ja alapuolella. Jos musta aukko ei pyöri, se on pallomainen. Lisäksi mustan aukon pinta ei heijasta lainkaan, vaan imee kaiken mikä siihen osuu, eikä sen sisältä tule mitään ulos, eli sillä on tapahtumahorisontti.

EKOt voivat pyöriessään ja toisiaan kiertäessään puristua eri tavoin, menettää energiaa sisäisen möyrinnän takia (aivan kuten tähdet) ja heijastaa osan gravitaatioaalloista.

Havaintojen tulkintaa vaikeuttaa se, että kahden mustan aukon järjestelmässä on paljon enemmän vaihtoehtoja kuin yhden. Esimerkiksi pyörimisnopeuden lisäksi pitää ottaa huomioon se, miten mustien aukkojen pyörimissuunnat suhtautuvat toisiinsa ja siihen tasoon, missä ne kiertävät toisiaan. Mitä useampi luku järjestelmää kuvaa on, sitä vaikeampi on selvittää sen yksityiskohtia gravitaatioaaltohavainnoista.

Nyt tehtyjen havaintojen perusteella voidaan kuitenkin jo sanoa, että jos EKOilla ei ole tapahtumahorisonttia, niiden säde on korkeintaan 10% mustaa aukkoa isompi. Myös EKOjen mahdollisesti mustista aukoista poikkeavia muotoja on mitattu, mutta niille ei ole saatu kovin tarkkoja rajoja.

Jos EKOn pinta heijastaa gravitaatioaaltoja, voi syntyä kaikuja. Jotkut ryhmät ovat väittäneet löytäneensä havaituista gravitaatioaalloista kaikuja, mutta tarkempien analyysien mukaan väitetty signaali ei erotu kohinasta.

Vuonna 2034 taivaalle nouseva gravitaatioaaltodetektori LISA pystyy selvittämään asiaa tarkemmin. Nykyiset gravitaatioaaltodetektorit LIGO ja Virgo näkevät vain noin sekunnin pätkän gravitaatioaalloista. LISA pystyisi seuraamaan samoja kohteita vuosien ajan ennen törmäystä, mikä lisäisi datan määrää valtavasti, vaikka signaali onkin hieman heikompi, koska aallot ovat voimakkaimpia kappaleiden kohdatessa.

Lisäksi LISAn odotetaan näkevän pieniä mustia aukkoja kiertämässä galaksien keskustojen jättiläismäisiä mustia aukkoja. Niissä on se vaikeus, että radat ovat erittäin monimutkaisia, eikä niitä ole vielä pystytty laskemaan edes supertietokoneilla. Ongelman kääntöpuoli on se, että koska radat ovat herkkiä mustien aukkojen ominaisuuksille, havainnot antavat tarkkoja rajoja ison mustan aukon ominaisuuksille kunhan ennusteet saadaan laskettua.

Toistaiseksi kaikki havainnot sopivat yhteen yleisen suhteellisuusteorian ennusteiden kanssa, eikä ole mitään luotettavaa ennustetta, jonka perusteella gravitaatioaaltokokeiden odottaisi näkevän merkkejä kvanttigravitaatiosta tai uudenlaisista tähdistä. Gravitaatioaallot ovat kuitenkin osoittaneet kykynsä luodata yksityiskohtaisesti niinkin äärimmäistä ilmiötä kuin tapahtumahorisonttia. Tulevat havainnot vähintäänkin lisäävät ymmärrystämme siitä, miten tarkasti yleinen suhteellisuusteoria kuvaa aika-avaruutta.

Taide ja taivas

25.5.2021 klo 15.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 8.6. joskus välillä kello 16-19 Taideyliopiston tilaisuudessa Taide ja tähtitaivas. Tilaisuus järjestetään Hietsun Paviljongissa Helsingissä. Sinne on ilmainen pääsy. Tapahtuman kuvaus on seuraava:

Taide ja tähtitaivas on taidetta, tähtitiedettä ja kulttuurihistoriaa yhdistävä keskustelutilaisuus, jossa puhutaan tähtikartoista, avaruuselokuvista ja maailmankaikkeuden epäinhimillisestä kauneudesta. Keskustelun alustajiin kuuluvat kulttuurihistorioitsija Maarit Leskelä-Kärki, kosmologi Syksy Räsänen, tähtitieteen dosentti Hannu Karttunen ja kuvataiteilija Elina Saloranta.

Puheeni otsikko on Kaikkeuden epäinhimillinen kauneus ja sen kuvaus on tämä:

Kun Aurinko vajaan kahdeksan miljardin vuoden kuluttua sammuu, ihmiskunta on kuollut sukupuuttoon kauan sitten. Silti Auringon loppu ja Maapallon tuho herättää surua. Ihmiset ovat tottuneet katsomaan maailmaa inhimillisen linssin kautta, joten epäinhimillisen maailmankaikkeuden tapahtumia verrataan ihmiselämään. Toisaalta ihmisille on kehittynyt tilan ja muotojen hahmottamiseen abstraktin ajattelun välineitä, joita on mahdollista soveltaa maailmankaikkeuden täsmälliseen ymmärtämiseen ja epäinhimillisen kauneuden kokemiseen.

Päivitys (28/05/21): Tilaisuus on koronarajoitusten takia siirretty tulevaisuuteen, keskiviikkoon 24.11. kello 16-19.

---

Kivikuvun alla

29.4.2021 klo 20.18, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Koeryhmän ANAIS edustaja Susana Cebrián Zarazogan yliopistosta Espanjasta puhui eilen Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarien sarjassa viime kuussa julkistetuista tuloksista pimeän aineen jahdissa. Hän oli Helsingissä joulukuussa 2019 kertomassa ensimmäisistä mittauksista, ja antoi nyt etänä päivityksen, kun niiden tilastollinen merkitys alkaa olla huomattava.

Monet koeryhmät ovat etsineet pimeän aineen hiukkasta, mutta vain yksi väittää löytäneensä sen: DAMA/LIBRA. Kirjoitin yksityiskohdista täällä kolme vuotta sitten. Kokeen idea on yksinkertainen: eristetään koepala häiriöistä ja katsotaan, näkyykö siinä merkkejä törmäyksistä pimeän aineen kanssa.

Jos pimeää ainetta on olemassa, Maa kulkee pimeän aineen pilven läpi liikkuessaan Linnunradan keskustan ympäri. Tämän takia lävitsemme pyyhältää pimeän aineen hiukkasia noin 200 km/s nopeudella. Joskus pimeän aineen hiukkaset törmäävät tavallisen aineen hiukkasiin. Tämä on yksittäiselle hiukkaselle harvinaista, koska ne vuorovaikuttavat tavallisen aineen kanssa heikosti. Mutta jos katsoo tarpeeksi isoa kasaa hiukkasia tarpeeksi kauan eikä pimeän aineen vuorovaikutus ole liian heikko, niin näkee törmäyksiä.

Törmäys voi potkaista elektronin pois atomista, saada sen säihkymään valoa ja tärisyttää ainetta, jossa atomi on kiinni. On kuitenkin kaikenlaista kohinaa, joka saa aikaan tällaisia ilmiöitä muutenkin, kuten radioaktiivisten ydinten hajoaminen.

DAMA/LIBRA pyrkii erottelemaan signaalin kohinasta tarkastelemalla törmäysten vaihtelua vuoden aikana. Koska Maan nopeus Auringon ympäri on noin 30 km/s ja sen suunta muuttuu vuoden ympäri, pimeän aineen nopeus meidän suhteemme vaihtelee vuoden aikana noin 10%. Kun menemme pimeän aineen tuulta vastaan, pimeän aineen hiukkasia tulee vastaan tiuhemmin, ja myötätuuleen kulkiessa niitä tulee harvemmin.

DAMA/LIBRA näkee tällaisen vaihtelun vuodenaikojen myötä todennäköisyydellä, joka noin kaksikymmentä miljardia miljardia miljardia miljardia vastaan yksi. Maksimi on vieläpä juuri silloin kuin pimeältä aineelta odottaisi, 2. kesäkuuta. Tulos näyttää yksinään vakuuttavalta, mutta mikään muu koeryhmä ei ole onnistunut toistamaan sitä.

Kolme vuotta sitten totesin, että tämä ei ole ratkaisevaa, koska muut kokeet ovat käyttäneet erilaisia koemateriaaleja. On mahdollista, että pimeä aine vuorovaikuttaa eri tavalla eri alkuaineista koostuvan tavallisen aineen kanssa niin, että se näkyy DAMA/LIBRAn natriumjodidikristallissa, mutta ei esimerkiksi koeryhmän XENON1T nestemäisessä xenonissa.

Nyt tilanne on muuttunut. ANAIS käyttää samanlaista natriumjodidikristallia kuin DAMA/LIBRA, joten ei ole mitään syytä, miksei se näkisi samaa signaalia, jos kyseessä on pimeä aine. ANAIS-kokeessa on pyritty riippumattomasti muutenkin toistamaan DAMA/LIBRAn koejärjestely, ja huolella hallitsemaan virhelähteet.

Kokeessa on 112.5 kiloa natriumjodidikristallia suojakerrosten alla tarkkaan eristettynä Canfrancin laboratoriossa Pyreneiden vuoriston kivikuvun alla. On tärkeää sijoittaa koe kiven alle, koska taivaalta tuleva säteily on merkittävä kohinan lähde. Kun kosmiset säteet (eli nopeasti liikkuvat protonit ja muita kevyet ytimet) iskeytyvät ilmakehän atomeihin, syntyy hiukkassuihkuja, erityisesti myoneja, joita menee lävitsemme koko ajan. Myonien lukumäärä vaihtelee vuodenajan myötä: ilman tiheys riippuu lämpötilasta, ja mitä tiheämpää aine on, sitä enemmän kosmiset säteet siihen törmäävät.

Vaikka ANAIS on vuoren suojassa, koeryhmä erikseen mittaa myonien määrän. Samoin se seuraa kosteutta, painetta, lämpötilaa, ympäristön radioaktiivisuutta ja koepalan sisältä tulevaa radioaktiivisuutta ja muita ajan myötä muuttuvia tekijöitä.

Kokeen herkkyydestä kertoo jotain se, että yksi huomioitava virhelähde on se radioaktiivisuus, mikä syntyy kosmisten säteiden osuessa koepaloihin tai -laitteisiin matkalla niiden valmistuspaikasta laboratorioon. Tämä tosin vaimenee tilanteen rauhoituttua maan alla.

ANAIS aloitti datan keräämisen elokuussa 2017, ja koeryhmä on nyt käynyt ensimmäisen kolmen vuoden mittaukset. On helppo tiivistää tulos: ANAIS ei näe mitään signaalia. Todennäköisyys sille, että tämä on sattumaa ja DAMA/LIBRA on oikeassa, on noin yksi sadasta. Ryhmä kerää dataa vielä yhteensä kahden vuoden verran, jonka jälkeen todennäköisyyden odotetaan laskevan noin tekijään 1:400. Sen jälkeen ryhmä aikoo päivittää koelaitteistoa, jotta todennäköisyys saadaan niin alas, että DAMA/LIBRAn tulos on poissuljettu järkevän epäilyn tuolle puolen.

ANAISin lisäksi koe COSINE-100 on mitannut pimeän aineen mahdollisia törmäyksiä Etelä-Koreassa vuodesta 2016 alkaen. Se on julkistanut vasta ensimmäisen 1.7 vuoden mittausten tulokset, eivätkä ne riitä DAMA/LIBRAn näkemän vuodenaikojen vaihtelun varmistamiseen tai poissulkemiseen. Koe nimeltä SABRE pyrkii aloittamaan mittaukset samaan aikaan Australiassa ja Italiassa Gran Sasson kaivoksessa, missä DAMA/LIBRAkin on, käyttäen pallonpuoliskojen eri vuodenaikoja ympäristötekijöiden erottelemiseen. Gran Sassoon on menossa myös COSINUS, jossa ovat Helsingin yliopistolta mukana Matti Heikinheimom Alex Stendahl ja Kimmo Tuominen. Kaikki nämä kokeet käyttävät natriumjodidikristalleja, kuten DAMA/LIBRA.

Olen kosmologiaa luennoidessani käyttänyt DAMA/LIBRA-tuloksia esimerkkinä siitä, miten läpimurrot näyttävät usein selviltä vasta jälkikäteen. Tutkimuksen eturintamalla ei usein tiedetä, milloin yllättävät tulokset ovat merkkejä teoreettisen ymmärryksen puutteesta (tässä tapauksesta siitä, miten pimeän aine vuorovaikuttaa), ja milloin kyse on puutteista havainnoissa tai niiden tulkinnassa.  Yksi koe ei välttämättä riitä teorian varmistamiseen tai kumoamiseen, koska molempiin liittyy kaikenlaisia oletuksia, jotka otetaan tarkempaan syyniin vasta kun asiat eivät menekään odotetulla tavalla.

Vaikka DAMA/LIBRAn väitettyä pimeän aineen havaintoa ei ole vielä täysin tyrmätty, ANAIS on antanut sille aikamoisen iskun, ja harva enää odottaa sen nousevan kanveesista.

---

Mitä siis on aika?

13.4.2021 klo 17.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehteen Rihveli ajan olemuksesta. Artikkeli alkaa näin:

Jotkut fyysikot tykkäävät siteerata Aurelius Augustinuksen (joka tuli tunnetuksi kirkkoisä Augustinuksena) teokseensa Tunnustukset 300-luvun lopulla kirjoittamia pohdintoja ajasta. Augustinus kommentoi osuvasti muun muassa sitä, miten vaikeaa ajan ajatteleminen on:

Mitä siis on aika? Jos kukaan ei kysy minulta, tiedän mitä se on. Jos haluan selittää sen sille, joka kysyy, en tiedä.

Toivo elää

8.4.2021 klo 21.53, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Eilen hiukkasfyysikot kohisivat kun tutkimuskeskus Fermilabin koeryhmä julkaisi uuden mittauksen myonin magneettisesta momentista. Lehdistötiedotteen mukaan tulos eroaa merkittävästi hiukkasfysiikan Standardimallin teoreettisesta ennustuksesta ja on vihje uudesta fysiikasta. Tässä on koeryhmän jäseneltä vähemmän hehkutusta ja enemmän tietoa sisältävä kirjoitus. Aiheesta on myös hyvä artikkeli Quantassa, ja teoreetikko Jester ja kokeilija Tommaso Dorigo valaisevat asiaa blogeissaan.

Myoni on alkeishiukkanen, eli sillä ei ole sisärakennetta. Alkeishiukkasten ominaisuudet tiivistyvät muutamaan numeroon: näitä ovat massa, sähkövaraus ja muihin vuorovaikutuksiin liittyvät varaukset, sekä jokunen muu luku. Yksi näistä on magneettinen momentti, joka kertoo, miten paljon hiukkanen kiertyy magneettikentässä. (Tämä kiertyminen liittyy hiukkasten ominaisuuteen nimeltä spin.)

Hiukkasen magneettisen momentin arvoon vaikuttavat kaikki hiukkaslajit, joiden kanssa se voi vuorovaikuttaa. Asiaa kuvaillaan usein niin, että hiukkasta ympäröi virtuaalisten hiukkasten pilvi, joka sekin reagoi magneettikenttään. Voi myös sanoa, että yksittäinen hiukkanen on hiukkaskentän tihentymä, ja liikkuu halki muiden kenttien, jotka vaikuttavat sen käytökseen.

Mittaamalla hiukkasen magneettisen momentin saa siis tietoa siitä, millaisia muita hiukkasia on olemassa. Elektronin magneettisen momentin laskeminen oli keskeinen osa kvanttielektrodynamiikan –ensimmäisen kvanttikenttäteorian– kehittämistä. Teoreettinen ja kokeellinen arvo täsmäävät miljoonasosan miljoonasosan tarkkuudella – tämä on yksi historian tarkimpia ennusteita ja mittauksia.

Myonien magneettinen momentti tunnetaan huonommin, ja Fermilabin koe on toistaiseksi tarkin. Koejärjestelyn idea on helppo selittää: myoneja kiihdytetään 99.9% valonnopeudesta ja pidetään voimakkailla magneeteilla kiertämässä kehää. Sekunnin sadastuhannesosassa myoni hajoaa elektroniksi ja neutriinoiksi. Kun mitataan, mihin suuntaan syntynyt elektroni osoittaa, saadaan selville mihin suuntaan myoni osoitti, eli miten paljon se oli kiertynyt magneettikentässä.

Fermilab on nyt määrittänyt myonin magneettisen momentin yli miljoonasosan miljardisosan tarkkuudella. (Lisätty tarkennus: koe mittaa myonin magneettisen momentin poikkeamaa siitä arvosta, mikä sillä olisi, jos myoni ei vuorovaikuttaisi muiden kenttien kanssa. Tämä poikkeama on noin tuhannesosan kokoinen, ja se on mitattu noin miljoonasosan tarkkuudella.)

Tämä ei ole iso edistysaskel: edellisen Brookhavenin laboratoriossa tehdyn mittauksen tarkkuus oli samaa luokkaa. Intoa herättää se, että nämä riippumattomat tulokset sopivat yhteen keskenään, ja eroavat teoreettisesta laskusta noin kolmen miljardisosan verran. Virherajaan verrattuna tämä on iso ero: todennäköisyys sille, että kyse olisi sattumasta on noin 1:40 000.

Hiukkasfysiikassa vaaditaan, että sattuman todennäköisyys olisi alle yksi noin miljoonasta, ennen kuin saa julistaa löytäneensä uutta fysiikkaa. Kuten olen usein maininnut, tilastollisen virheen korostaminen on kuitenkin harhaanjohtavaa, jos systemaattisia virheitä ja teoreettista ennustusta ei tunneta samalla tarkkuudella. Tässä tapauksessa ongelmia ei ole tiedossa niinkään kokeen kuin teorian puolella.

Fermilabin lehdistötiedote ei mainitse, että on olemassa toinenkin teoreettinen ennustus, ja se sopii hyvin yhteen mittaustuloksen kanssa. Ei tiedetä kumpi ennustus on oikein. On huvittava sattuma, että tämä yhteensopiva ennustus ilmestyi lehdessä samana päivänä, kun Fermilabin koetulos tuli julki. (Tulokset tosin luetaan nettiarkistosta arXiv, ei lehdistä, ja artikkeli on ollut siellä helmikuusta 2020 alkaen.)

Myonin magneettisen momentin laskeminen on erittäin vaikeaa. Siihen vaikuttavat monet hiukkaset, ja niiden vuorovaikutukset myonin kanssa pitää laskea tarkasti. Kaksi ristiriidassa olevaa teoreettista laskua lähestyvät asiaa eri tavalla.

Fermilabin koetuloksista poikkeava tarkastelu sivuuttaa osan laskujen ongelmista jättämällä niihin mustan laatikon, jonka arvo mitataan kokeista laskemisen sijaan. On mahdollista, että tämä laatikko ei ole asennettu oikein laskun muihin osiin.

Koetulosten kanssa yhteensopiva lasku sen sijaan laskee magneettisen momentin numeerisesti alusta alkaen. Numeerisissa laskuissa on omat sudenkuoppansa, ja laskun tehneen ryhmän mukaan tulos pitää vielä tarkistaa ja varmentaa.

Tilanne ei ole ainutlaatuinen. Muistan, kuinka 2000-luvun alussa oltiin kiinnostuneita myonin magneettisen momentin kokeellisen ja teoreettisen arvon isosta erosta, kunnes huomattiin, että laskussa oli yksi miinusmerkki väärin.

Fermilabin ryhmän julkaisema tulos perustuu vain 6% datasta, jonka se tulee kaikkiaan keräämään. Kaiken datan myötä tilastollisen virheen mahdollisuus laskee noin miljardisosan sadasosaan, kauas löydölle sovitun riman yläpuolelle, mutta tällä ei ole ratkaisevaa merkitystä, ellei teoreettista laskua saada vakaalle pohjalle.

Jos ristiriita koetuloksen ja teorian kanssa varmistuu, kyseessä on ensimmäinen kiihdytinhavainto hiukkasfysiikasta Standardimallin tuolla puolen. (Neutriinoiden massa ja pimeä aine ovat Standardimallin tuolla puolen, mutta ne on havaittu muilla keinoin.)

Kuten Jester huomauttaa, mitattu ero on isompi kuin Standardimallin W– ja Z-bosonien vaikutus myonin magneettiseen momenttiin. Tämä viittaa siihen, että poikkeaman aiheuttava hiukkanen ei ole kovin raskas. (Mitä raskaampi hiukkanen, sitä heikommin se vaikuttaa muiden hiukkasten ominaisuuksiin.) Tämä tarkoittaa, että sen voisi kenties havaita kiihdyttimissä – ja herättää kysymyksiä siitä, miksi sitä tai sen vaikutuksia muihin hiukkasiin ei ole vielä nähty.

Selityksiähän teoreetikoilla löytyy. Tänään tuli jo julki 32 artikkelia, joissa yhdistetään Fermilabin tulos uusiin hiukkasfysiikan teorioihin, ja huomenna saadaan lisää. Aika näyttää, onko joku niistä oikein, vai katoaako poikkeama tarkemmalla tarkastelulla, kuten hiukkasfysiikassa on usein käynyt. (Hiljattain julistettiin toinenkin –tilastollisesti vähemmän merkitsevä– ero Standardimallin ja havaintojen välillä; Tommaso Dorigo tarjoaa siihenkin hyvän katsauksen.)

Quantan artikkelissa Fermilabin koeryhmän jäsen Dominik Stöckinger sanoo liioitellen, että myonin magneettinen momentti on viimeinen toivo, ja hiukkasfysiikka kuolee, jos mitään ei löydykään. Tommaso Dorigo esittää asian vähemmän dramaattisesti: hänen mukaansa mittaus pitää elossa toivoa siitä, että on vielä jotain kiihdytinten löydettävissä.

Päivitys (10/04/21): Lisätty selvitys mittaustarkkuudesta.

Teknisyys ja henkisyys

31.3.2021 klo 15.59, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Muutama vuosi sitten blogin kommenteissa minulle kehuttiin tieteenhistorioitsija Helge S. Kraghin kirjaa Conceptions of Cosmos: From Myths to the Accelerating Universe: A History of Cosmology. Luin teoksen vasta nyt, ja se osoittautui mainioksi.

Kragh kertoo kosmologian tarinan sen esivanhemmista muinaisessa Egyptissä ja Mesopotamiassa alkaen. Keskiajan ja 1800-luvun välillä Kragh käsittelee vain eurooppalaista historiaa, lukuun ottamatta joitakin mainintoja arabeista.

Yksi kirjan kantava teema on jännite ja yhteys havaintoja kuvaavan tähtitieteen ja spekulatiivisen kosmologian välillä. Tähtitieteen tehtäväksi nähtiin pitkään vain taivaiden liikkeiden luetteloiminen ja matemaattinen mallintaminen. Sen sijaan kosmologiassa pyrittiin kattavaan maailman selittämiseen, usein irrallaan havainnoista. Esimerkiksi Kraghin mukaan Nikolaus Kopernikuksen aurinkokeskisen järjestelmän esitellyt kirja De revolutionibus orbium coelestium oli ”vaikea ja tekninen teos, suunnattu matematiikkaa tunteville tähtitieteilijöille, ei astrologeille, filosofeille tai kosmologeille”.

Toisaalta tähtitieteelläkin on nähty esteettinen ja moraalinen arvo. 100-luvulla kreikkalainen Klaudios Ptolemaios kuvasi tähtitiedettä ainoaksi tieteeksi, joka tarjoaa sekä vankkaa tietoa että kehittää moraalia:

”Jumaluuteen liittyvän pysyvyyden, järjestyksen, symmetrian ja tyyneyden kautta se tekee seuraajistaan tämän jumalaisen kauneuden rakastajia, tutustuttaen heidät ja ikään kuin muovaten heidän luontonsa samanlaiseen henkiseen tilaan.”

Antiikin Kreikassa syntyi kuva maailmasta, joka noudattaa järjellä ymmärrettäviä lakeja jumaluuksista ja hengistä riippumatta. Vaikka monet pohdinnat olivat hedelmättömiä, jotkut olivat häkellyttävän oivaltavia. Esimerkiksi stoalaiset filosofit päättelivät 300-luvulla ennen ajanlaskun alkua, että maailman ikä on äärellinen, koska eroosio tapahtuu vain yhteen suuntaan: jos maailma olisi ikuinen, vuoria ei olisi. Tällainen entropian kasvuun liittyvä päättely oli tärkeässä roolissa 1800-luvulla –kaksi vuosituhatta myöhemmin– maailmankaikkeuden iästä kiisteltäessä.

Vaikka Kragh ei asiaa korosta, kirjasta näkyy tuskallisen selvästi se, miten suuri takaisku Kreikan filosofian pysähtyminen ja Rooman valtakunnan hajoaminen oli maailman rationaaliselle ymmärtämiselle. Senkin jälkeen, kun muinaisten kreikkalaisten tekstit löydettiin kristillisessä Euroopassa uudelleen arabiankielisten käännösten kautta, Euroopan filosofit lähestyivät kosmologiaa lähinnä sen kannalta, miten aristotelinen filosofia ja kristillinen teologia voitaisiin sovittaa yhteen. Tähtitieteellisiä (tai muita) havaintoja ei pidetty oleellisina näille pohdinnoille, jotka keskittyivät sellaisiin kysymyksiin kuin onko Jumalan äärettömyys todiste maailmankaikkeuden äärettömyydestä vai äärellisyydestä.

Monien vanhojen kosmologisten pohdintojen hauska piirre on se, miten usein niihin kuuluu taivaan kehien koosta, planeettojen etäisyyksistä ja niin edelleen lukuarvoja, jotka ovat yhtä tarkkoja kuin ne ovat mielikuvituksellisia. Kirja onkin hyvä muistutus siitä, että tietyn alan pitkällinen ja kehittynyt älyllisten pohdintojen perinne ei ole mikään tae siitä, että niillä olisi mitään arvoa maailman kuvaamisessa.

Se, että vielä 1600-luvulla teologiset argumentit painoivat maailmankaikkeuden kuvaamisessa yhtä paljon kuin havainnot, oli yksi syy siihen, että Galileo Galilei suhtautui kosmologiaan ”sekoituksella skeptisyyttä ja välinpitämättömyyttä”.

Myöskään ero okkultismiin ei ollut aina selvä. Yhtä lailla tähtitieteilijä Tyko Brahe kuin alkemisti Paracelsus pitivät kemiaa ja tähtitiedettä toisiinsa elimellisesti liittyvinä tiedon aloina. Brahen kuuluisan Uraniborg-observatorion porteilla oli veistokset, joista toiseen oli kaiverrettu viek ”kun katson ylös, näen alas” ja toiseen ”kun katson alas, näen ylös”, mikä muistuttaa myöhäisantiikista periytyvää okkultistista mottoa ”kuin ylhäällä, niin alhaalla”.

Lopulta havainnot pelastivat kosmologian. Yksi rajapyykki oli Brahen vuoden 1572 havainto taivaalle ilmestyneestä ja katoavasta uudesta tähdestä. Se kyseenalaisti aristotelisen käsityksen taivaasta ikuisena, muuttumattomana ja jumalaisena alueena.

Isaac Newtonin 1600-luvun loppupuolella löytämä klassinen fysiikka mullisti sekin kosmologian. Nykynäkökulmasta klassisen fysiikan keskeinen piirre on se, että maailma on yksinkertaisten sääntöjen varassa toimiva itsenäinen järjestelmä. Newton ja hänen seuraajansa kuitenkin vastustivat tätä ajatusta, koska se teki Jumalan tarpeettomaksi. Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten läpimurtojen tekijät eivät aina näe tai hyväksy niiden keskeisiä seurauksia, koska heillä on toinen jalka menneessä. Newtonin aikalainen Gottfried Leibniz ja hänen seuraajansa sitä vastoin esittivät, että kellokoneistomaailma todistaa Jumalan suuruudesta, koska tämän ei maailman luomisen jälkeen tarvitse enää puuttua sen toimintaan. Vaikka Newtonin johtopäätös oli fysikaalisesti väärin, se oli sosiologisesti oikein: fysiikka on syrjäyttänyt Jumalan maailman tapahtumien selittämisessä ja johtanut ateismin leviämiseen.

Vuonna 1731 päästiin niin pitkälle, että Christian Wolffin kirjan Cosmologia nimessä oleva sana viittasi ensimmäistä kertaa puhtaasti fysikaalisiin ilmiöihin, irrallaan teologisista pohdinnoista. Spekulaatiot jatkuivat kuitenkin ilman kristillistä sisältöäkin.

Muun muassa filosofi Immanuel Kant esitti puhtaalla järjellä keksimiään selityksiä siitä, millainen maailmankaikkeus on. Myöhemmin hän muutti mielensä, ja todisteli, että maailmankaikkeuden käsite ei ole mielekäs, koska se ei kuvaa kenenkään havaintoja, joten sitä ei voi tutkia. Parhaimmillaan nämä pohdinnat esittivät uusia ideoita – Kant esimerkiksi kirjoitti, että ”tähtisumut” ovat toisia galakseja, mikä on saattanut pohjustaa ajatuksen hyväksymistä. Jälkikäteen katsottuna näiden moninaisten päättelyiden pääasiallinen anti on se, että niihin tutustuessa osaa arvostaa havaintojen ja matemaattisen mallintamisen tärkeyttä, sekä prototieteilijä Francis Baconin peräänkuuluttamien ”lyijyn ja painojen” merkitystä spekulaatioiden pitämisessä maan tasalla.

1800-luvulla tapahtui läpimurto, kun siirryttiin tähtitieteestä astrofysiikkaan, eli alettiin soveltaa muitakin fysiikan lakeja kuin gravitaatiota taivaiden mallintamiseen. Alkuaineiden spektriviivojen löytäminen mahdollisti tähtien koostumuksen mittaamisen ja niiden käyttämisen taivaallisina laboratorioina. Aiemmin tutkijat olivat olleet sitä mieltä, että tähtien olemuksen pohtiminen ei kuulu tieteeseen. Tämä on esimerkki siitä, että vain tutkimus voi kertoa, mitkä ovat tutkimuksen kohteita, ja millaisia menetelmiä siinä sopii käyttää.

Astrofysiikka avasi tähtitieteen ja kemian yhteyden, josta Brahe ja Paracelsus olivat haaveilleet. Tähtitieteen ja hiukkasfysiikan myöhempi tiivis suhde on jatkoa tälle, ja 1980-luvulla kosminen inflaatio selitti koko maailmankaikkeuden rakenteen hiukkasfysiikan kvanttivärähtelyjen avulla. Näillä kehitysaskeleilla ei kuitenkaan ole juuri tekemistä Brahen tai Paracelsuksen ajattelun kanssa. Onkin tavallista, että eri aikoina on esitetty toisiaan pintapuolisesti muistuttavia ideoita, ilman että ne ovat saman asian eri kehitysasteita.

Kun spektriviivojen avulla oli todistettu, että alkuaineet ovat samoja kaikkialla maailmankaikkeudessa, niin ruvettiin pohtimaan niiden alkuperää. Vuodesta 1915 yleisen suhteellisuusteorian löytämisen jälkeen reitti vastaukseen oli periaatteessa selvä. Teoria ennustaa, että avaruus laajenee ja tiheys laskee. Tiheys on siis varhaisina aikoina ollut isompi, ja siksi aine on ollut lämpötasapainossa. Tästä voi laskea, paljonko alkuaineita varhaisessa keitossa syntyy ja koska atomit muodostuvat.

Kragh käy yksityiskohtaisesti läpi, miten kosmologian kehitys ei kuitenkaan kulkenut tätä jälkikäteen suoralta näyttävää reittiä. Yleisen suhteellisuusteorian ennustama maailmankaikkeuden laajeneminen ja ajan alku herättivät laajaa vastarintaa. Niinpä jotkut fyysikot keksivät uutta fysiikkaa vailla muuta motivaatiota kuin näiden piirteiden välttäminen. Yksi paljon huomiota saanut esimerkki on Fred Hoylen ja kumppaneiden steady state -malli, missä oletetaan, että ainetta syntyy koko ajan tyhjästä. Tällöin aineen tiheys ei laske, vaikka avaruus laajenee, joten maailmankaikkeus pysyy aina samanlaisena, eikä sillä ole alkua.

On hauska sivujuonne, että jotkut näiden teorioiden kannattajat olivat sitä mieltä, että ne olivat tieteellisempiä kuin yleiseen suhteellisuusteoriaan ja muuhun tunnettuun fysiikkaan pohjaava kosmologia. Syynä oli se, että näillä teorioilla oli selviä ennustuksia, kun taas 1960-luvulla suhteellisuusteoriaan pohjaavan kosmologian tapauksessa ei ollut esimerkiksi pitkään selvää, miten tarkalleen maailmankaikkeus laajenee – koska se riippuu ainesisällöstä, jota ei tunnettu. Myöskään yleiseen suhteellisuusteoriaan pohjaava kosmologia ei pystynyt selittämään raskaiden alkuaineiden syntyä varhaisessa hiukkaskeitossa – koska ne syntyvät tähdissä. Tämä lienee varoittava esimerkki tieteenfilosofian väärinkäytöstä, joka ei ole myöhemmillekään kosmologeille vierasta. (Argumentti ei myöskään estänyt muokkaamasta steady state -mallia kerta toisensa jälkeen, kun sen ennustukset osoittautuivat havaintojen kehittyessä vääriksi.)

Myös yleisen suhteellisuusteorian kannattajilla kesti vuosikymmeniä ottaa teoria vakavasti ja soveltaa sitä johdonmukaisesti. Kaari oli poikkeuksellisen pitkä. Fysiikassa on kuitenkin tavallista, että paikkansa pitävät teoriat ajan myötä yksinkertaistuvat periaatteiltaan, esitystavaltaan ja oletuksiltaan, kun niitä ymmärretään paremmin. Samalla niille tulee yhä monimuotoisempia ja yksityiskohtaisemmin tarkasteltuja sovelluksia. Virheellisten teorioiden kohdalla käy päinvastoin: periaatteita ja oletuksia tulee lisää, ja sovelluksia yhä vähemmän.

Kraghin kirjan ensimmäinen painos ilmestyi vuonna 2007, joten mukaan ovat ehtineet kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet, kosminen inflaatio ja maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen. Kuten Kragh toteaa, lähihistoriaa on vaikea kirjoittaa, ja näistä asioista Kraghin käsittely lähestyy teorioiden sisältöön keskittyvää tietokirjaa, joita on parempiakin. Kraghin psykologinen ja sosiologinen painotus on silti kiinnostava. Hymyilyttää hänen huomionsa, että inflaatioon liittyvien maailman alkua, toisia maailmankaikkeuksia ja muita spekulaation perinteitä jatkavat pohdinnat ovat tuoneet filosofit ja teologit takaisin kosmologiaan, ”mistä heidät oli pitkään karkotettu”.

Fyysikoilla on tapana muistaa vain ne teoriat, jotka pitävät paikkansa. Tämä on mahdollista, koska fysiikka on historiaton tiede siinä mielessä, että uudet teoriat sisältävät edeltäjänsä. Fyysikot selittävät oikeaan tulokseen päätymistä, kun taas tieteenhistorioitsijat kartoittavat miten tutkimus on todellisuudessa kulkenut, ja virheelliset teoriat ovat tutkimuskohde siinä missä oikeatkin. Tässä mielessä Kraghin kirja on kelpo historia ei vain kosmologiasta, vaan kosmologeista, vaikka keskittyykin teorioihin henkilöiden sijaan.

---

Muistinmenetykset ennustusten takana

19.3.2021 klo 21.15, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Klassisen fysiikan laeista voi periaatteessa laskea, millainen tulevaisuus on ja millainen menneisyys oli, jos tietää nykyhetken. Käytännössä tätä rajoittaa se, että ensinnäkin nykytilaa ei tunneta tarkasti ja toisekseen monimutkaisten järjestelmien kehityksen laskeminen on vaikeaa. Niinpä emme esimerkiksi osaa sanoa, missä Aurinkokunnan planeetat ovat miljardien vuosien kuluttua tai missä ne olivat miljardeja vuosia sitten. (Kvanttifysiikan epädeterminismin takia tulevaisuus ei ole täysin ennustettavissa eikä menneisyys täysin selvitettävissä, mutta isossa mittakaavassa tällä ei ole juuri merkitystä.)

Miten sitten voidaan tutkia paljon monimutkaisemman järjestelmän, kuten koko näkemämme maailmankaikkeuden, kehitystä – eli miksi kosmologia on mahdollista?

Yksi syy on se, että kun systeemi tarpeeksi iso, sitä on helpompi käsitellä. Jos mukana on riittävän monta palaa, meitä ei enää kiinnosta se, mitä jokaiselle niistä tapahtuu, vaan tutkimuksen kohteena on niiden muodostama kokonaisuus. Yksittäisten palojen sijaan seurataan niiden ominaisuuksien jakaumaa: kuinka suuri osa liikkuu tietyllä nopeudella, kuinka suuri osa on tietyssä paikassa, ja niin edelleen.

Vaikeimpia käsitellä ovat järjestelmät, joissa on muutamasta muutamaan kymmentä kappaletta – liian paljon, jotta kaikkien vuorovaikutuksia olisi helppo seurata, mutta liian vähän, jotta keskiarvoihin tiivistyisi kaikki oleellinen. Esimerkiksi Aurinkokunnan planeetat ovat tällainen järjestelmä.

Koko näkemämme maailmankaikkeuden tapauksessa palasia sen sijaan on valtavan paljon, olivatpa ne sitten alkeishiukkasia (joita seurataan varhaisina aikoina) tai galakseja (joita tarkastellaan myöhemmin). Emme osaa laskea, mitä jokaisessa galaksissa tapahtuu, mutta sen kyllä, millaisia tapahtumat tilastollisesti ovat.

Toinen ennustuksia helpottava tekijä on se, että maailmankaikkeuden menneisyys on yksinkertainen. Sen lisäksi, että palasia on paljon, ne ovat varhaisina aikoina jakautuneet hyvin tasaisesti. Tässä on kaksi puolta: ensinnäkin aine oli lähes lämpötasapainossa, ja toisekseen poikkeamat ovat tilastollisesti samanlaisia kaikkialla.

Varhaisina aikoina aine on yksittäisistä hiukkasista koostuvaa keittoa. Keiton lämpötila kertoo, kuinka vinhaan hiukkaset poukkoilevat toisistaan, toisin sanoen mikä on niiden liike-energia. Mutta lämpötasapaino on paljon muutakin: lämpötasapainossa hiukkasten vuorovaikutukset ylläpitävät sitä, että aine on samanlaista joka paikassa ja kaikkina aikoina. Hiukkasten törmäykset esimerkiksi pyyhkivät pois tiheyserot vierekkäisten alueiden välillä.

Yhtä lailla eri hiukkasten lukumäärä on tasapainossa. Esimerkiksi keitossa on sekä hiukkasia ja antihiukkasia, kuten elektroneja ja positroneja. Kun elektroni ja positroni kohtaavat, ne annihiloituvat eli muuttuvat fotoneiksi. Lämpötasapainossa toisaalta fotonit yhtyvät toisiinsa samaa tahtia muuttuen elektroni- ja positronipareiksi, niin että elektronien, positronien ja fotonien suhde säilyy samana.

Lämpötasapainossa tietyn hiukkaslajin lukumäärä määräytyy vain sen massasta. Jos hiukkasen massa on isompi kuin keiton hiukkasten tyypillinen liike-energia, sen tuottaminen on vaikeaa, ja näitä hiukkasia on vähän. Muita hiukkasia on kaikkia yhtä paljon. (Lukuun ottamatta pieniä hiukkasten spiniin liittyviä eroja.)

Ainoa poikkeus liittyy siihen, että jotkut hiukkasreaktiot ovat kiellettyjä. Esimerkiksi sähkövaraus säilyy, joten plus- ja miinusvarauksia häviää tai syntyy aina yhtä paljon. Niinpä maailmankaikkeuden kokonaissähkövaraus säilyy aina samana. Maailmankaikkeuden kokonaisvaraus on kuitenkin nolla, joten tästä ei seuraa rajoituksia.

Toisin on baryoniluvun kohdalla. Baryoniluku kertoo montako protonia ja neutronia miinus antiprotonia ja antineutronia on olemassa. Baryoniluku säilyy kun lämpötila on alle miljoona miljardia astetta, ja se on positiivinen. Niinpä keitossa on protoneita enemmän kuin antiprotoneita, vaikka niiden massat ovat samat.

Kaikkiaan tämä tarkoittaa sitä, että lämpötasapainossa hiukkaskeiton tila tiivistyy kahteen lukuun: lämpötilaan ja baryonitiheyteen. (Jos on säilyvä leptoniluku, se pitää lisätä listaan.) Lämpötasapainossa ei ole muuta muistia: hiukkasten törmäykset pyyhkivät pois tiedon siitä mitä on aiemmin tapahtunut.

Maailmankaikkeus ei kuitenkaan ole täysin lämpötasapainossa, koska avaruus laajenee. Varhaisina aikoina aine on tiheää ja siksi hiukkasten törmäystahti on iso verrattuna maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen. Avaruuden laajentuessa lämpötila laskee, ja aineen tiheys sekä hiukkasten törmäystahti pienenee.

Kun maailmankaikkeus on sekunnin ikäinen, aineesta tulee niin harvaa, että heikoimmin vuorovaikuttavat hiukkaset –neutriinot– eivät enää törmäile muihin, vaan irtoavat keitosta. Tämä rajapyykki erottaa muinaiset ajat, jolloin kaikki hiukkaset olivat yhteydessä toisiinsa, myöhemmästä maailmankaikkeudesta, jossa aineen osat eriytyvät yhä enemmän. (Pimeä aine on luultavasti irronnut jo aiemmin, jos on koskaan ollutkaan kosketuksissa tavallisen aineen kanssa.) Tapahtuma on niin tärkeä, että Kari Enqvist nimesi kirjansa Ensimmäinen sekunti sen mukaan.

Lämpötila ei kuitenkaan edes varhaisina aikoina ole sama kaikkialla. Siinä on pieniä, sadastuhannesosan kokoisia vaihteluita, jotka näkyvät nykyään kosmisessa mikroaaltotaustassa. Hiukkasten törmäykset eivät pyyhi pois näitä epätasaisuuksia lämpötasapainosta huolimatta, koska niiden mittakaava on niin iso. Esimerkiksi jos kylmä ja kuuma alue ovat kymmenen valosekunnin päässä toisistaan, niin maailmankaikkeuden ollessa sekunnin ikäinen niiden välillä ei ole ehtinyt välittyä törmäyksiä, jotka olisivat ne voineet tasoittaa ne

Lämpimämmät alueet ovat myös tiheämpiä, joten ne vetävät ainetta puoleensa ja toimivat galaksien ja kaiken muun rakenteen siemeninä. Lämpimien ja kylmien alueiden jakauma on samanlainen kaikkialla ja hyvin yksinkertainen (kuten mikroaaltotaustasta näkee). Niinpä galaksien jakauma isossa mittakaavassa on helposti ennustettavissa.

Se, että lämpötilavaihtelujen jakauma on yksinkertainen, puolestaan johtuu kosmisesta inflaatiosta, joka pyyhki pois tiedon kaikesta sitä aiemmasta (jos ennen kosmista inflaatiota ylipäänsä oli mitään), ja synnytti kvanttivärähtelyjen avulla pieniä vaihteluita tyhjästä. Galaksien jakauma on yksinkertainen koska kvanttivärähtelyt ovat yksinkertaisia.

Maailmankaikkeuden ennustettavuus pohjaa siis kahteen muistinmenetykseen: inflaatioon ja sen lämpötasapainoon.

---

Kolmekätinen kaukoputki

27.2.2021 klo 17.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Toissaviikolla oli etäkonferenssi muinaisista mustista aukoista ja gravitaatioaalloista. Sana ”muinainen” viittaa siihen, ne ovat muodostuneet kauan ennen tähtien syntyä. Ei tiedetä, onko tällaisia mustia aukkoja olemassa. LIGOn ja Virgon havainnot mustista aukoista ovat kuitenkin innoittaneet paljon tutkimusta erilaisista tavoista niiden tuottamiseksi. (Minäkin olen mennyt mukaan touhuun.)

Jos muinaisia mustia aukkoja on olemassa, isoin kysymys on se, miten ne voi erottaa tähtisistä mustista aukoista. Tai toisin päin: mistä tiedämme, että LIGOn ja Virgon näkemät kymmenet toisiinsa törmäävät mustat aukot ovat peräisin tähtien romahduksesta?

Johtopäätös siitä, että törmäysten osapuolet ylipäänsä ovat mustia aukkoja perustuu kahteen seikkaan. Ensinnäkin gravitaatioaalloissa ei näy merkkejä siitä, että niillä olisi monimutkaista rakennetta. Kaikki tähtitieteelliset kappaleet ovat monimutkaisempia kuin mustat aukot – neutronitähdetkin litistyvät enemmän. Toisekseen havaittujen törmäyksen osapuolten massat ovat jokusesta muutamaan kymmeneen Auringon massaa, mitä tähtien romahdukselta odottaisikin.

On tosin havaittu muutamia yllättävän kevyitä ja raskaita mustia aukkoja, joiden alkuperä ei ole selvä. Jos nähtäisiin Aurinkoa kevyempiä mustia aukkoja, niiden olisi pakko olla muinaisia. Mikään tähtitieteellinen tapahtuma ei pysty saamaan aikaan niin pieniä mustia aukkoja, ja syntymän jälkeen mustat aukot voivat vain kasvaa. (Ellei höyrystymistä Hawkingin säteilyn takia oteta huomioon – se on kuitenkin merkittävää vain paljon Auringon massaa kevyempien aukkojen tapauksessa.)

Toinen tapa erottaa muinaiset ja tähtiset mustat aukot olisi nähdä gravitaatioaaltoja ajalta ennen tähtiä. Tämä tarkoittaa kurkottamista ensimmäiseen 100 miljoonaan vuoteen, yli 13 miljardin vuoden päähän ajassa ja 35 miljardin valovuoden päähän paikassa. Nykyiset toisen sukupolven gravitaatioaaltolaitteet eivät näe niin kauas. Konferenssissa Geneven yliopiston Michele Maggiore esitteli suunnitelmia eurooppalaisesta kolmannen sukupolven laitteesta nimeltä Einstein Telescope (yksityiskohtia täällä), joka näkisi noin 50 miljoonaan vuoteen asti.

Kaikissa nykyisissä ja vakavasti suunnitelluissa gravitaatioaaltodetektoreissa (NANOGravia ja muita pulsareiden tarkkailuun perustuvia kokeita lukuun ottamatta) on sama idea: lähetetään valosignaali eri suuntiin, heijastetaan takaisin ja mitataan pituuden tai matka-ajan muutos eri suunnissa.

Einstein Telescope lisäisi herkkyyttä ensinnäkin nykyistä pidemmillä käsivarsilla. LIGOn tunnelit ovat nelikilometrisiä, Einstein Telescopen olisivat kymmenen kilometriä pitkiä. Oleellisempaa on se, että Einstein Telescope sijoitettaisiin 100-300 metriä maan alle. Kuten vuoren sisälle rakennetun japanilaisen toisen sukupolven laitteen KAGRAn tapauksessa, tämä vaimentaa taustamelua. Yhteistä KAGRAn kanssa on myös se, että lämpökohinan minimoimiseksi valosäteitä heijastavat peilit jäähdytettäisiin hyvin kylmiksi, Einstein Telescopen tapauksessa kymmeneen Kelvin-asteeseen, eli -263 Celsius-asteeseen. Ja kuten jo hyväksytyllä kolmannen sukupolven gravitaatioaaltodetektorilla LISA (ja sen kilpailijoilla), Einstein Telescopella olisi kolme kättä LIGOn, Virgon ja KAGRAn kahden sijaan.

Einstein Telescopen odotettaisiin näkevän miljoona mustien aukkojen törmäystä vuodessa. Tämä olisi jatkoa päivitetyn LIGOn, Virgon ja KAGRAn aloittamalle siirtymälle yksittäisten mustien aukkojen tutkimisesta niiden populaation ominaisuuksien selvittämiseen: kuinka paljon ja millaisia mustia aukkoja löytyy eri ajoista ja paikoista. Jos mustat aukot ovat peräisin tähdistä, niiden lukumäärän muutos ajassa seuraa tähtien kehitystä, tietyllä viiveellä. Kaukaisten törmäysten tapahtumahetken selvittäminen gravitaatioaalloista on tosin vaikeaa. Gravitaatioaaltojen muodosta on helppo mitata kohteen etäisyys, mutta ajankohdan kertovan punasiirtymän mittaaminen on hankalampaa.

Samaa periaatetta voi soveltaa mustien aukkojen jakaumaan avaruudessa ajan sijaan. Jos mustat aukot ovat kuolleita tähtiä, niitä on samoissa paikoissa kuin eläviäkin tähtiä. Jos mustilla aukoilla on eri alkuperä, niiden sijaintikin on erilainen. Erityisesti jos mustat aukot muodostavat osan tai kaiken pimeästä aineesta, niiden jakauma on sama kuin pimeän aineen. Galakseissa pimeä aine on levittäytynyt paljon laajemmalle kuin tähdet ja muu näkyvä aine.

Muinaiset mustat aukot eivät ole Einstein Telescopen tärkein kohde. Teleskooppi antaisi myös tarkempaa tietoa neutronitähtien sisärakenteesta sekä paljastaisi galaksien keskustoissa olevien jättimäisten mustien aukkojen siemenet. Kiinnostavaa on myös mustien aukkojen tapahtumahorisontin syynääminen.

Kun musta aukko muodostuu, se väreilee hetken aikaa, kun tapahtumahorisontti säteilee ryppynsä pois ja asettuu aloilleen. Säteiltyjen gravitaatioaaltojen muoto riippuu yleisen suhteellisuusteorian yksityiskohdista, eikä sitä ole vielä saatu mitattua kovin tarkkaan. Törmäyksessä syntyneen mustan aukon rauhoittumisvaihe on lyhyempi ja vähemmän äänekäs kuin mustien aukkojen kiepunta toistensa ympärillä ennen yhtymistä, ja siksi vaikeampi havaita.

Joiden ehdotusten mukaan tapahtumahorisontin säteilyssä voisi nähdä kvanttigravitaation sormenjälkiä. Tämä on vielä spekulatiivisempi idea kuin muinaiset mustat aukot, mutta sen saa tarkistettua Einstein Telescopen muiden mittausten ohella. Toistaiseksi ainoastaan kosmisessa inflaatiossa on päästy kokeellisesti kiinni kvanttigravitaatioon, mutta mustat aukot ovat seuraavaksi lupaavin alue.

Osa Einstein Telescopen kohteista on samanlaisia kuin LISAlla, ja niiden käyttäminen samaan aikaan tehostaisi kummankin toimintaa. Einstein Telescopen kaavaillaan aloittavan vuoden 2035 tienoilla, samoihin aikoihin LISAn kanssa. Mutta LISA on jo hyväksytty, kun taas Einstein Telescope on vasta suunnitteluasteella. Yhdysvalloissa on myös suunnitelma isosta maanpäällisestä gravitaatioaaltoteleskoopista nimeltä Cosmic Explorer, ja molempia tuskin rakennetaan.

Mustien aukkojen ylistettyjen havaintojen ja gravitaatioaaltojen kunnianhimoisten suunnitelmien äärellä on hyvä pysähtyä toteamaan mitä todella on tehty ja mitä luvassa. Toistaiseksi gravitaatioaaltojen kautta ei ole nähty mitään uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, eivätkä ne ole myöskään mullistaneet käsityksiä tähtien rakenteesta ja kehityksestä.

Hiukkaskiihdyttimiä rakennettiin vuosikymmeniä löytämään jotain uutta. 1970-luvulta alkaen hiukkasfysiikan Standardimalli ennusti kaikki kiihdytinhavainnot onnistuneesti, mutta silti jokaisen hiukkasen löytäminen kertoi jotain uutta maailmankaikkeudesta. Tämä voittokulku tuli tiensä päähän vuonna 2012, kun Higgsin hiukkanen jäi haaviin. Kiihdyttimien oli jo pitkään toivottu löytävän jotain Standardimallin tuolta puolen, ja oli syitä uskoa, että CERNin LHC-kiihdyttimen energioilla vastaan tulisi viimein supersymmetriaa, tekniväriä, ylimääräisiä ulottuvuuksia tai jotain muuta ennennäkemätöntä, vaikka kävikin toisin.

Gravitaatioaallot ovat uusi ikkuna maailmankaikkeuteen, ja ne voivat paljastaa jotain odottamatonta. Mutta toisin kuin LHC:n tapauksessa, ei ole mitään erityistä syytä ajatella, että nykyisten tai suunnitteilla olevien kokeiden ulottuvilla olisi uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, kuten muinaisia mustia aukkoja. Tiedämme vain, että Einstein Telescope tarkentaisi ymmärrystämme tähdistä, mustista aukoista ja gravitaatiosta, ei että se paljastaisi jotain täysin uutta – vaikka läpimurtoja nykyään pitäisikin rutiinilla luvata.

---

Maljat ennen vai jälkeen

19.2.2021 klo 23.40, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Seuratessani eilen Perseverance-luotaimen laskeutumista monitorilta mietin samaa kuin katsoessani kahdeksan vuotta aiemmin Curiosityn laskeutumista Heurekan planetaariossa: ajan suhteellisuutta.

Mönkijän putoaminen ilmakehän reunalta Marsin pinnalle kestää seitsemän minuuttia. Eilen Mars oli yhdentoista valominuutin päässä Maasta, eli mönkijän ja sitä kantaneen avaruusaluksen radiosignaaleilla kesti yksitoista minuuttia matkata tänne.

Valonnopeutta ei voi ylittää, joten kun NASAn kontrollihuoneeseen tulee viesti, että alus on saapunut ilmakehään, on liian myöhäistä vaikuttaa laskeutumiseen mitenkään. Helposti siis ajattelee, että mönkijä on laskeutunut jo neljä minuuttia sitten, nyt vain odotetaan tietoa siitä, miten kävi. Voi jopa tuntua siltä, että olisi johdonmukaisempaa kilistellä laseja silloin, kun kellon mukaan mönkijä koskettaa Marsin kamaraa, ja tarkistaa vain radioviesteistä myöhemmin, että kaikki tosiaan oli sujunut hyvin.

Ei kuitenkaan ole mielekästä sanoa, että mönkijä oli jo laskeutunut, ennen kuin viesti siitä ehtii meille, koska samanaikaisuus on suhteellista.

Jos kaksi eri paikoissa tapahtuvaa asiaa –mönkijä koskettaa Marsin pintaa, Maassa maljojen reunat kohtaavat sen juhlistamiseksi– ovat meidän kellomme mukaan samanaikaisia, niin ne tapahtuvat kaikkien meidän suhteemme liikkuvien havaitsijoiden mukaan eri aikaan. Tämä on esimerkki siitä, että suppean suhteellisuusteorian mukaan kaikki aikavälit ovat suhteellisia, eli erilaisia eri havaitsijoille. Samanaikaisuushan tarkoittaa sitä, että kahden tapahtuman aikaväli on nolla.

Aikavälien suhteellisuus on mitättömän pieni, elleivät nopeudet ole lähellä valonnopeutta. Yllämme 4 kilometriä sekunnissa kiitävästä GPS-satelliitista katsottuna kilistämme maljoja 0.03 nanosekuntia ennen mönkijän laskeutumista; tai 0.03 nanosekuntia sen jälkeen, jos satelliitti liikkuu vastakkaiseen suuntaan.

Aikavälien muutos on iso vain lähellä valonnopeutta. CERNin LHC-kiihdyttimessä, missä protonit matkaavat kohti toisiaan 99.999998% valonnopeudella, niiden törmäykset tapahtuvat meidän silmissämme 6900 kertaa hitaammin kuin protoneille itselleen.

Periaate on kuitenkin sama, riippumatta siitä onko vaikutus iso vai pieni: asioiden voi sanoa tapahtuneen vasta sitten, kun ne ovat niin kaukana menneisyydessä, että niistä olisi ehtinyt tulla meille signaali. Kysymys siitä, mitä Perseverance puuhaa Marsin pinnalla juuri nyt, tai mitä Auringon magneettikenttä tekee juuri nyt, tai mitä viereisessä huoneessa tapahtuu juuri nyt, ei ole hyvin määritelty.

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.