Kosmokseen kirjoitettua

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.

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.