Kosmokseen kirjoitettua

Rehellinen elämä/An honest life

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

* * *

An honest life

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Potkut ylöspäin

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Edistys ja rappio

30.11.2020 klo 17.24, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Kuhinan kartta

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Viisareiden värähtelyä

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Kosmologia ja ihmiskunta

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

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

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

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

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

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

---

Kenties suurin mysteeri

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

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

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

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

---

Saman henkäyksen koskettama

10.10.2020 klo 13.44, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Turun kaupungin taidemuseo WAMissa on taiteilija Rosa Barban näyttely Touched By The Same Breath Of Air, jossa käsitellään muun muassa tähtitiedettä. Näyttely on auki 10.1.2021 asti. Pidin avajaisissa torstaina 8.10. seuraavanlaisen puheen.

(Puhetta olisi voinut korjata sen verran, että monissa Henrietta Leavittin alkuperäisissä kuvissa on hänen merkintöjään. Alkuperäiset kuvat olisi siis voinut esittää inhimillisen ja epäinhimillisen kosketuspintana.)

Arvon kutsuvieraat, arvoisa museoväki.

Vuonna 1927 yhdysvaltalainen kirjailija H.P. Lovecraft kirjoitti novellin The Colour Out of Space, väri avaruudesta.

Lovecraftin tarinassa taivaalta iskeytyy Uuteen Englantiin kivi, joka myrkyttää maatilan ja aloittaa hirvittävien tapahtumien ketjun. Kun tieteilijät tutkivat kiveä, sen spektriviivat eivät vastaa mitään Maapallolla tunnettua ainetta, ja taivaallisen vieraan synnyttämä väri on meille kauhea, ”kosminen ja tunnistamaton”.

Lovecraftin kertoja kuvailee seuraavasti:

”Tämä ei ollut henkäys taivailta, joiden liikkeitä ja ulottuvuuksia tähtitieteilijämme mittaavat, tai määräävät liian valtaviksi mitata. Se oli vain väri avaruudesta – järkyttävä lähettiläs äärettömyyden muodottomilta seuduilta, kaiken tuntemamme luonnon tuolta puolen.”

Rosa Barba on valinnut näyttelynsä nimeksi Saman henkäyksen koskettama. Ilmaisu kääntää Lovecraftin fraasin ”tämä ei ollut henkäys taivailta” merkityksen, se tekee toisesta samaa. Ehkä ei ole väärin nähdä näyttelyn teosta The Color Out of Space avaimena Barban luomille projektoreiden, filminauhojen, tallenteiden, teräsputkien, valojen seuduille, missä tuonpuoleinen ja inhimillinen kohtaavat.

Lovecraftilla avaruus on perustavanlaatuisesti erilainen kuin meidän maailmamme, toisten lakien alainen.

Rosa Barban teoksessa The Color Out of Space tieteellisiin tarkoituksiin otetut kuvat kaukaisista ja vieraista seuduista on estetisoitu ihmisten mittoihin. Taivaan valot on kytketty tieteilijöiden, taiteilijoiden ja kirjoittajien ääneen, joka sitoo mittaamattoman avaruuden lohdullisen rajalliseen ymmärryksen työhön.

Teoksessa Drawn by the Pulse, pulssin vetämä, vilkkuvat tähtitieteilijä Henrietta Leavittin kuvat, joissa pienen Magellanin pilven tähdet näkyvät sellaisina kuin ne olivat 200 000 vuotta sitten, ajalla ennen kuin ihmiset osasivat puhua. Alkuperäisten kuvien sisällössä ei ole mitään inhimillistä, eikä niiden ottamisessa ole käytetty esteettistä harkintaa. 

Teoksessa esille perattu analoginen filmi, kuten The Color Out Spacen peräkkäiset lasipaneelit, tuo mieleen avaruuden jäätyneen museon, jossa menneisyys on pysähtynyt katsottavaksemme.

Rosa Barba vangitsee tähtien hypnoosin ja yhdistää nämä värittömät otokset ihmisen lämpimään historiaan.

Sisarteoksessa Near the Small Magellanic Cloud, pienen Magellanin pilven lähellä, on otos Leavittin tieteellisestä artikkelista, jossa näkyy osa tähtien paikoista. Artikkeli on nykyään itsekin pala menneisyyttä, ja Leavittin sata vuotta vanhoilla kuvilla on lähinnä muistoarvoa.

Rosa Barba on verrannut aikaa monikerroksiseen lohkareeseen, jossa toistensa päällä olevat aikakaudet kehittyvät kuin muistot.

Kuvamme maailmankaikkeuden menneisyydestä tosiaan muovautuu ajan myötä, kun teemme uusia havaintoja ja löydämme hienompia teorioita. Mutta siinä missä ihmisen kuva tapahtuneesta varisee ja sekoittuu vuosien kuluessa, tieteen kuva tarkentuu ja valaistuu aiemmin tuntemattomilla väreillä.

Toisenkin kirjailijan haamu on läsnä tänä iltana, ei vain Lovecraftin. Teos Blind Volumes (Sokeita teoksia tai sokeita tiloja) viittaa argentiinalaisen kirjailijan -sokeutuneen kirjailijan- Jorge Luis Borgesin novelliin Baabelin kirjasto.

Tarinan kirjastossa on kaikki mahdolliset korkeintaan 410 sivua pitkät kirjat. Kertomus leikittelee kirjallisen luomisen arvolla ja Borgesille ominaiseen tapaan yhdistää kaksi vastakohtaa: kaikkien merkitysten summan ja täydellisen merkityksettömyyden.

Barban teoksessa Blind Volumes käytetyt teräskehykset ovat yleensä rakenteiden kantajia. Barba on laittanut ne kehystämään tyhjyyttä tavalla, joka yhdistää järjestyksen ja mielivaltaisuuden.

Borges oli leikkisä, ja ehkä teoksen voi hänen henkensä mukaisesti nähdä taiteilijan karikatyyrinä tieteestä – tieteestä joka kehystää ilmiöiden merkitykset samalla kun se riisuu maailman merkityksestä.

Tiede on osoittanut, että toisin kuin Lovecraftin tarinassa, todellisuudessa samat luonnonlait pätevät kaikkialla maailmankaikkeudessa. Mutta Lovecraft oli oikeassa siinä, että nämä lait ovat ihmiselle vieraita. Tieteen paljastama kuva ajasta, avaruudesta, aineesta, tapahtumisesta ja olemisesta osoittaa arkikäsityksemme tyystin virheellisiksi.

Maailman alaston toiseus voi synnyttää kauhua. Mutta se myös herättää ihmetystä, kun tiede irrottaa arjen palasia ja näyttää todellisuuden niiden alta, mielikuvituksen tuolta puolen.

Myös taide nyrjäyttää ajatteluamme irrottamalla käsitteitä tutuista lokeroista, luomalla uusia merkityksiä ja vaatettamalla maailman värikkääseen kuosiin.

Antautukaamme tänä iltana nyrjäytettäviksi.

---

Luotettava ennustus ja tiheä kappale

7.10.2020 klo 00.42, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti eilen myöntävänsä puolet tämän vuoden fysiikan Nobelin palkinnosta Roger Penroselle ”siitä löydöstä, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian luotettava ennustus” ja toisen puolen Reinhard Genzelille ja Andrea Ghezille ”superraskaan tiheän kappaleen löytämisestä galaksimme keskustasta”. (Suurelle yleisölle suunnattu selitys on täällä, tarkempi taustoitus täällä.)

Ghez on neljäs nainen, joka saa fysiikan Nobelin palkinnon. Ennen häntä olivat Marie Curie vuonna 1903, Maria Goeppert Mayer vuonna 1963 ja Donna Strickland vuonna 2018.

Tämä on toinen mustista aukoista annettu Nobelin palkinto. Se tulee pian törmäävien mustien aukkojen gravitaatioaalloista vuonna 2017 myönnetyn palkinnon jälkeen. Kuten silloin, nytkin palkinnon saavat kaksi havaintopuolen tutkijaa ja yksi teoreetikko.

Genzel ja Ghez johtavat kahta tutkimusryhmää, jotka ovat tarkkailleet Linnunradan keskustan tähtien liikkeitä 90-luvulta asti. Maapallo on 26 000 valovuoden päässä Linnunradan keskustasta, joten yksittäisten tähtien havaitseminen ja niiden liikkeiden seuraaminen tarkasti on melkoinen saavutus.

Tässä on Ghezin ryhmän 25 vuoden datasta tehty animaatio tähtien liikkeistä. Tähdet kiertävät tiheää kohdetta, jonka massa on noin neljä miljoonaa Auringon massaa. Lähin rata kulkee etäisyydellä, joka on muutama sata kertaa mustan aukon tapahtumahorisonttia isompi. Tämä on tarpeeksi lähellä, että yleisen suhteellisuusteorian korjaukset tähtien ratoihin on ollut mahdollista mitata, mutta niin kaukana, että mustan aukon nielusta ei saa tarkkaa kuvaa. (Galaksin M87 keskustan mustan aukon tapahtumahorisontin tienoot kuvannut Event Horizon Telescope -ryhmä on tehnyt havaintoja myös Linnunradan keskustasta, mutta data-analyysi ei ole vielä valmis.) Mutta on nähty infrapunavälähdyksiä etäisyydeltä, joka on 3-5 tapahtumahorisontin kokoinen.

Mikään tunnettu kappale ei voi olla näin tiheä ja himmeä, joten on päätelty, että kyseessä on musta aukko.

Toisin kuin vuoden 2017 palkinnon tapauksessa, teoreetikko Penrosen työ ei liity suoraan Genzelin ja Ghezin tutkimukseen, vaan on vaikuttanut merkittävästi taustalla. Penrose tunnetaan sekä matemaatikkona että fyysikkona. (Helsingin Keskuskatu on muuten päällystetty hänen kehittämällään Penrosen laatoituksella.)

Penrose on omaperäinen, kekseliäs ja matemaattisesti taitava tutkija, joka on kehittänyt monenlaisia ideoita. Nobelin palkinnon perusteeksi nostettiin se, että hän vuonna 1965 osoitti, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian väistämätön seuraus.

Ensimmäisen mustaa aukkoa kuvaava yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisun löysi fyysikko Karl Schwarzschild vain kuukausi sen jälkeen, kun fyysikko Albert Einstein ja matemaatikko David Hilbert julkaisivat yleisen suhteellisuusteorian lopullisen muotoilun. Schwarzschildin ratkaisu oli pallosymmetrinen, eli samanlainen kaikissa suunnissa. Vuosikymmeniä oli epäselvää, kuvaavatko tämän ratkaisun kummalliset piirteet todellisuutta, vai katoavatko ne, kun tarkastellaan ratkaisuja, jotka eivät ole aivan pallomaisia.

Näitä piirteitä ovat tapahtumahorisontti ja singulariteetti. Jos tarpeeksi massaa on tietyn säteen sisällä, niin mikään ei pääse pakenemaan sen sisältä, ei edes valo. Tämän säteen rajaamaa pintaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Mustan aukon keskustassa taasen on piste, jossa aika-avaruuden kaarevuus on ääretön ja yleinen suhteellisuusteoria ei päde.

Penrose osoitti lähtien hyvin yleisistä oletuksista, että kunhan tarpeeksi massaa on pakkautunut tietyn säteen sisään, niin se romahtaa mustaksi aukoksi, riippumatta siitä miten massa on jakautunut. Tämä todisti, että mustia aukkoja syntyy, jos yleinen suhteellisuusteoria pitää paikkansa. Palkinnon taustamateriaali loppuu seuraavaan muistutukseen:

“Se missä määrin tapahtumahorisontin ympäröimä musta aukon rakenne todella vastaa yleisen suhteellisuusteorian ennusteita on vielä avoin kysymys. Luonnolla voi olla yllätyksiä varastossa.”

Vuonna 1967, kaksi vuotta Penrosen tuloksen jälkeen, Stephen Hawking sovelsi samaa ideaa koko maailmankaikkeuteen. Hän osoitti että jos maailmankaikkeus laajenee, niin silläkin on jossain singulariteetti – mahdollisesti alussa. Kuten Hawkingin kuoleman jälkeen kirjoitin:

”Yhdessä Penrose ja Hawking osoittivat, että singulariteetit ovat yleinen ja oleellinen osa yleistä suhteellisuusteoria: voi sanoa, että yleinen suhteellisuusteoria ennustaa oman loppunsa (eli pätevyysalueensa rajallisuuden).”

Penrose myös keksi vuonna 1969 hänen nimeään kantavan Penrosen prosessin, jonka avulla voi kerätä energiaa pyörivistä mustista aukoista. Tämä hyvin teoreettinen idea oli sittemmin ponnahduslauta todellisten taivaalla näkyvien mustien aukkojen ympärillä pyörivien ainekiekkojen energiantuotannon ymmärtämiseen.

Penrose on myös rohkeasti esittänyt ideoita muun muassa maailmankaikkeuden alkuhetkistä, kvanttigravitaatiosta, kvanttimekaniikan ja tietoisuuden yhteydestä ja aaltofunktion romahtamisesta. (Aikoinaan ehdotin näitä Penrosen kvanttimekaniikkaan liittyviä ideoita pelin Quantum Break materiaaliksi Remedylle asiasta konsultoidessani; en tiedä mitä peliin lopulta päätyi.)

Penrose on ainoa tietämäni fyysikko, joka julkaisee merkittävää tieteellistä materiaalia suurelle yleisölle suunnatuissa kirjoissa. Onkin hämmentävää, miten paljon Penrosen edistynyttä matematiikkaa sisältäviä teoksia ostetaan.

Hän on kirjoissaan myös arvostellut valtavirtatutkimusta niin säieteorian kuin kosmisen inflaationkin osalta. Penrose on kehittänyt oman vaihtoehdon inflaatiolle, jossa maailmankaikkeuden vaiheet toistuvat alkuräjähdyksestä loppuun asti äärettömän monta kertaa. Penrose on yhdessä muiden tutkijoiden kanssa julkaissut artikkeleita, joiden mukaan kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyy merkkejä tällaisesta aiemmasta maailmankaikkeuden ajasta. Ainakin osan artikkeleista data-analyysi tosin on huolimatonta, eikä ole kestänyt lähempää tarkastelua. Kosmisen inflaation tueksi sen sijaan on paljon havaintoja.

Menneinä vuosikymmeninä hiukkasfysiikka kahmi Nobelin palkintoja vuosi toisensa perään, mutta vuoden 2012 Higgsin löytämisen jälkeen hiukkasfysiikan Standardimallissa ei ole enää löydettävää, eikä kiihdyttimissä ole nähty mitään sen tuolta puolen. Vuoden 2017 palkinto gravitaatioaalloista, viime vuoden palkinnon Jim Peeblesille kosmologiasta mennyt puolikas ja tämän vuoden palkinto muistuttavat löytöjen tulevan nyt ennemmin taivaalta. Monet pohtivat, koska on kosmisen inflaation vuoro – ja mikä osa siitä palkitaan, kenet kutsutaan Tukholmaan ja ketkä jäävät ilman matkalippua.

---

Harppu ja suuruus

29.9.2020 klo 15.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Koeryhmä LIGOn helmikuun 2016 ilmoitus ensimmäisestä gravitaatioaaltojen suorasta havainnosta antoi vahvan myötätuulen uusille gravitaatioaaltokokeille. Jatkuvat uudet löydöt eivät ole intoa ainakaan laannuttaneet.

Kuusi päivää LIGOn ilmoituksen jälkeen Intian hallitus hyväksyi LIGOn ja Virgon kanssa yhteistoiminnassa olevan IndIGO-havaintolaitteen rakentamisen. Edistyneempää teknologiaa käyttävä japanilainen KAGRA aloittanee havainnot LIGOn ja Virgon rinnalla niiden palatessa kehään vuonna 2022. LIGOn menestys myös toi Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASAn takaisin LISA–satelliittiprojektiin, jonka se oli vuonna 2011 rahanpuutteessa jättänyt.

Kiinalaiset gravitaatioaaltokokeet, joita valmistellaan melko erillään muun maailman yhteistyöstä, ovat kiinnostava osa tätä gravitaatioaaltoryntäystä.

Yksi niistä on TianQin, jonka voinee vapaamuotoisesti kääntää ”avaruusharpuksi”. Koejärjestely on samankaltainen kuin LISAssa. Kolme satelliittia mittaa välistensä etäisyyksien muutosta lähettämällä toisilleen lasersäteitä. Muodostelman läpi kulkeva gravitaatioaalto venyttää sen etäisyyksiä eri tavalla eri suunnissa, mikä vaikuttaa valonsäteiden matka-aikoihin.

TianQinissä herättää huomiota nopea aikataulu. Projektia ehdotettiin vuonna 2014, teknologiaa testaavaa satelliittia TQ-1 ruvettiin suunnittelemaan vuonna 2016, satelliitti sai virallisen hyväksynnän 2018, laukaistiin Maata kiertävälle radalle joulukuussa 2019, ja on ollut toiminnassa siitä pitäen. TianQinin on määrä aloittaa tieteelliset mittaukset vuonna 2035.

Vertailun vuoksi, LISA-koetta ehdotettiin vuonna 1993, siinä käytettävää teknologiaa testaavan LISA Pathfinderin suunnittelu alkoi vuonna 1998, Pathfinder nousi avaruuteen vuonna 2015 ja LISA on määrä laukaista avaruuteen vuonna 2034. LISAlla kestää noin vuosi matkata paikalleen Aurinkoa kiertävälle radalle, joten jos kaikki menee suunnitelmien mukaan, niin tieteelliset mittaukset aloitetaan vuonna 2035 tai 2036.

On tietysti nopeampaa kulkea toisten tasoittamaa polkua kuin olla tienraivaaja. TianQin voi kuitenkin edetä vinhemmin myös siksi, että koe on portaan verran vaatimattomampi.

TianQinin on määrä kiertää Maata, ei Aurinkoa. Tämän säästää sen vuoden, mikä Aurinkoa kiertävälle radalle matkaamiseen menee, ja laukaisu on halvempi. Lisäksi mittausdatan lähettäminen Maapallolle on helpompaa, kun laite on ihan vieressä, Kuuta lähempänä. Kääntöpuolena on se, että Maan lähiseudut eivät ole yhtä tyhjiä kuin kaukaisempi avaruus, joten satelliitteihin vaikuttavien häiriöiden välttäminen voi olla vaikeampaa.

TianQin on myös LISAa pienempi. LISAssa satelliittien etäisyys toisistaan on 2.5 miljoonaa kilometriä, TianQinissä 170 000 kilometriä. Kymmenen kertaa pienemmän koon takia laite on kymmenen kertaa vähemmän herkkä etäisyyden muutosten mittari. Siispä TianQin ei pysty havaitsemaan niin heikkoja gravitaatioaaltoja kuin LISA. Sen sijaan LISA pystyy näkemään melkein kaiken minkä TianQinkin, jälkimmäinen voi tosin olla pienillä aallonpituuksilla vähän herkempi.

Toistaiseksi TianQin on aikataulussa ja koesatelliitti TQ-1 on ylittänyt sille asetetut odotukset, mutta on käsittääkseni yhä jäljessä LISA Pathfinderin teknologian tarkkuudesta.

Nopea eteneminen on sikäli oleellista, että TianQin on itsenäisenä kokeena mielekäs vain, jos se saa tuloksia ennen LISAa. Muutoin se jää apulaiseksi, joka tarjoaa riippumattoman vahvistuksen osalle LISAn havainnoista. Useampi eri suunnassa mittaava laite auttaa myös gravitaatioaaltojen värähtelysuuntien (eli polarisaation) mittaamisessa ja niiden lähteiden paikallistamisessa taivaalla.

TianQin-ryhmä korostaakin kansainvälisen yhteistyön tärkeyttä. Mukana on Kiinan ulkopuolisia tutkijoita, mutta LISA-ryhmään ei tietääkseni ole juuri oltu yhteydessä, ja projekti näyttää etenevän omilla raiteillaan sivuille katsomatta.

Sama vaikuttaa pätevän toiseen kiinalaiseen gravitaatioaaltoprojektiin, nimeltään Taiji, mikä tarkoittanee suurta tai ylittämätöntä äärimmäisyyttä. Myös Taiji on lähettänyt koesatelliitin avaruuteen, syyskuussa 2019. Siinä missä TianQin yrittää kiriä kevyemmin kuormattuna LISAn ohi, Taiji on lähellä LISAa sekä aikataulultaan että rakenteeltaan. Taijissa on kolme satelliittia, joiden on määrä lentää Aurinkoa kiertävälle radalle samoihin aikoihin LISAn kanssa. Niiden etäisyydeksi on suunniteltu kolme miljoonaa kilometriä, viidennes enemmän kuin LISAssa.

Kohteiden paikallistamisen lisäksi kahdessa satelliittijärjestelmässä on tieteen kannalta se etu, että havaintoja voi tehdä silloinkin, kun yhden laitteet ovat jostain syystä suljettuina tai niissä on häiriöitä. Taijia mainostetaankin osana ”LISA-Taiji-verkostoa”, mutta en oikein tiedä onko LISA-ryhmän kanssa sovittu asiasta.

Pian nähdään miten hankkeet etenevät. Kiinan tiedeakatemian kansallisen avaruustiedekeskuksen johtaja Wu Ji on ehdottanut TianQin- ja Taiji-projektien yhdistämistä, ja jos haluaa kuroa kiinni LISAn etumatkan, ei ole varaa hidastella. Yhdysvaltojenkin osallisuuteen LISA-projektissa voi tosin tulla vielä yllätyksiä seuraavan 15 vuoden aikana.