Kosmokseen kirjoitettua

Myös me taas/We too again

25.8.2020 klo 13.39, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

(As the topic, the decision of the University of Turku to hire and then cancel the hire of Christian Ott, has attracted international attention, this post is both in Finnish and English; the English version is below the Finnish text. This is a follow-up to an earlier post called Myös me/Us too.)

(Tämä on jatkoa aiemmalle merkinnälle, jonka otsikko oli Myös me/Us too.)

Helmikuussa 2018 Turun yliopisto perui astrofyysikko Christian Ottin palkkauksen asian saatua julkisuutta. Ott oli vuonna 2017 eronnut Caltechin yliopistosta Yhdysvalloissa sen jälkeen, kun yliopisto oli todennut hänen syyllistyneen sukupuoleen perustuvaan häirintään kahta naispuolista jatko-opiskelijaa kohtaan.

Joukko tutkijoita Suomessa ja kansainvälisesti, mukaan lukien Helsingin yliopiston kollegani Till Sawala ja minä, oli allekirjoittanut lausunnon, jossa tuomittiin häirintä viittaamatta nimenomaisesti Ottin tapaukseen. Lisäksi 19 tähtitieteilijää, astrofyysikkoa ja kosmologia (mukaan lukien me kaksi) oli lähettänyt Turun yliopiston johdolle kirjeen, jossa sitä pyydettiin harkitsemaan Ottin palkkaamista uudelleen. Kirjoitin tapauksesta täällä.

Luulin asian olleen loppuun käsitelty, kunnes huhtikuussa 2019 poliisi soitti ja kertoi suorittavansa esitutkintaa minusta, Tillistä ja Turun yliopiston Jari Kotilaisesta. Christian Ott oli palkannut asianajotoimiston syyttääkseen meitä törkeästä kunnianloukkauksesta ja törkeästä yksityiselämää loukkaavasta tiedon levittämisestä. Ott vaati meille rangaistusta ja itselleen rahallista korvausta.

Tapaukseen liittyy paksu nippu papereita. Lyhyesti sanottuna Ott kutsui itseään uhriksi ja väitti, että minun ja Tillin takia Ottin ”maine ja asema” ”on lopullisesti menetetty”. Turun yliopiston Tuorlan observatorion johtaja Juri Poutanen tuki tätä poliisille antamassaan lausunnossa, ja kertoi minun ja Tillin levittäneen Ottista ”väärää tietoa maailmalla” sekä mustamaalanneen tätä. Poutanen oli toinen kahdesta henkilöstä, olivat pyytäneet yliopistoa palkkaamaan Ottin ja olisi ollut tämän esimies.

Erityisen tuomittavana Ott ja Poutanen esittivät sen, että olimme tuoneet asiaa julki mediassa. (Ott epäili Kotilaistakin tästä.) Tämä näkyi poliisin kuulusteluissa, missä yritettiin selvittää, kuka on ottanut yhteyttä toimittajiin. Twitterin ja #MeToo-hashtagin käyttöä pidettiin myös mahdollisesti raskauttavana. Poliisi esitti minulle muun muassa seuraavan kysymyksen:

”Olette käyttäneet Ottin palkkaamisesta kirjoittaessa, ainakin kuusi kertaa aihetunnistetta #MeToo, jolloin kaikki Twitterissä #MeToo -keskustelua seuraavat ovat voineet nähdä teidän twiitit reaaliajassa. Mitä kommentoitte?”

Kotilaisen osalta käsittely lopetettiin esitutkintaan. Minun ja Tillin tapaus meni syyttäjälle, joka päätti kesäkuun 2020 loppupuolella, että ei nosta syytettä. Syyttäjä totesi, että mitä kunnianloukkaukseen tulee, emme ole sanoneet Ottista mitään valheellista. Mitä yksityiselämää loukkaavaan tiedon levittämiseen tulee, hän totesi meidän kirjoittaneen vain Ottin toiminnasta julkisessa virassa tai vastaavassa tehtävässä. Syyttäjä totesi myös, että tapausta ”on käsitelty erittäin laajasti eri medioissa”. Esille tuomamme seikat olivatkin olleet yleisesti tiedossa jo vuosia, ja niistä olivat kirjoittaneet muun muassa Nature ja Science.

Tarina ei lopu tähän. Ott on nimittäin nostanut kanteen myös Turun yliopistoa ja Tukholman yliopistoa vastaan. Minun ja Tillin tapauksen käsittelyn myötä minulle paljastuikin kyseenalainen järjestely yhteispohjoismaisen Nordita-tutkimuslaitoksen (joka toimii Tukholman yliopistossa) ja Turun yliopiston välillä. (Kiitän Tukholman yliopiston henkilökuntaa pikaisista vastauksista kysymyksiini asian tiimoilta.)

Nordita sopi joulukuussa 2017 palkkaavansa Ottin kahden vuoden tutkijanpaikkaan. Nordita sitten ilmoitti, että ei pidäkään kiinni sopimuksesta. Ott väittää, että Tukholman yliopisto oli huolissaan maineestaan. Norditan silloisen johtajan Thors Hans Hanssonin mukaan hän päätti peruuttaa Ottin palkkauksen konsultoituaan laajasti kollegoita Tukholman yliopistossa ja ulkomailla, koska näillä oli siihen vahva reaktio.

Nordita sitten järjesti, että Ott saakin paikan Turun yliopistosta, missä Nordita maksaisi 75% hänen palkastaan. Kun Turun paikka peruuntui, Ott vaati maksamattomia palkkoja ja korvauksia Tukholmasta. Tuomioistuin määräsi yliopiston maksamaan Ottille 726 000 Ruotsin kruunua (noin 70 000 euroa) palkkoja korkojen kera. Korvauksia yliopiston ei tarvinnut maksaa, koska sen ei katsottu toimineen muuten epäasiallisesti. (Tuomioistuimen päätös ruotsiksi täällä; tässä on Google Translaten käännös englanniksi.) Turun jutun käsittely jatkuu.

Tapauksen käsittely vaikuttaa sekä moraalisesti ongelmalliselta että taloudellisesti lyhytnäköiseltä. Jos Nordita piti Ottin ahdistelijataustaa ongelmana itsessään, miten se olisi vähemmän ongelmallista Turussa? Toisaalta, jos Ottin tausta ei ollut sinällään ongelmallinen, niin hänen sopimuksensa peruminen ilman pätevää syytä olisi epäoikeudenmukaista Ottia kohtaan. Jälkimmäinen pätee myös Turun yliopistoon. Turun yliopiston silloisen rehtorin Kalervo Väänäsen poliisille antaman lausunnon mukaan Ottin palkkauksen perumisen syynä Turussa oli riski yliopiston maineen vauriolle kotimaassa ja kansainvälisesti. Lisäksi paikasta sopiminen ja sen peruminen asian tullessa julki voi johtaa oikeusjuttuihin ja korvauksiin, joilta olisi vältytty, jos eettiset seikat olisi huomioitu alusta alkaen.

Tämä alleviivaa sitä, että on tärkeää tuoda häirintätapaukset ja vastaavat ongelmat julkisuuteen sen lisäksi, että vetoaa yksityisesti johtoon. Se myös näyttää tiedotusvälineiden vastuun asioiden käsittelemisessä ja faktojen tuomisessa julki. Ottin tapauksessa media toimi erinomaisesti, Suomessa siitä kirjoitettiin asiallisesti ja laajasti tiedotusvälineissä. Kansainvälisistä tiedotusvälineistä erityisesti BuzzFeed oli aktiivinen yksityiskohtien tuomisessa esille.

Tapaus on osa isompaa kehitystä. Joulukuun 2019 katsauksessa kuluneeseen 2010-lukuun lehti Physics World nosti yhdeksi vuosikymmenen merkittäväksi muutokseksi kasvavan ymmärryksen siitä, että fyysikoiden yhteisön täytyy tehdä enemmän tasa-arvon ja diversiteetin eteen. (Kirjoitin aiheesta viime vuonna Helsingissä pidetyn NORNDiP-konferenssin tiimoilta.) Se mainitsi esimerkkinä edistyksestä häirintään syyllistyneiden korkean profiilin tutkijoiden erottamiset ja eroamiset. Lehti totesi, että aiemmin tapaukset olisi luultavasti lakaistu maton alle, ja esitti digitaalisen viestinnän tuoneen mukanaan avoimuutta.

Toivottavasti Ottin tapaus antaa häirinnän kohteille voimia tulla julki kokemustensa kanssa, yhteisön jäsenille rohkeutta tukea heitä ja yliopistojen johdolle viisautta ottaa häirintä vakavasti silloinkin, kun se ei ole julkisuuden valokeilassa.

* * *

In February 2018 the University of Turku cancelled the hire of astrophysicist Christian Ott after it received public attention. In 2017, Ott had resigned from Caltech after the university had found him guilty of gender-based harassment of two female PhD students.

A group of researchers in Finland and internationally, including me and my colleague Till Sawala at the University of Helsinki, had signed a statement against harassment, without referring specifically to Ott’s case. In addition, 19 astronomers, astrophysicists and cosmologist (including us two) had sent a letter to the leadership of the University of Turku calling on them to reconsider Ott’s hire. I wrote about the case here.

I thought the matter settled, until in April 2019 the police called to say they were conducting a preliminary investigation of me, Till, and Jari Kotilainen from the University of Turku. Christian Ott had hired an attorney to accuse us of aggravated libel and aggravated spreading of information in a manner that violates privacy. Ott demanded for us to be punished and for him to be awarded damages.

The case file is thick with documents. In short, Ott called himself the victim and claimed that because of me and Till his “position and reputation” “has been irredeemably ruined”. Juri Poutanen, head of Tuorla observatory at the University of Turku, supported this in his statement to the police, and said that me and Till had spread “false information around the world” about Ott and smeared him. Poutanen was one of the two people who had asked the university to hire Ott and would have been his superior.

Ott and Poutanen were particularly scathing about us bringing media attention to the case. (Ott also suspected Kotilainen of this.) This was reflected in the police questioning, which tried to find out who had contacted journalists. The use of Twitter and the #MeToo hashtag was also seen as a potentially aggravating factor. Among other questions, the police asked me the following:

“When writing about the hire of Ott you have at least six times used the hashtag #MeToo, so all who follow #MeToo discussion on Twitter have been able to see your tweets in real time. How do you comment?”

The case against Kotilainen was closed during the preliminary investigation. Mine and Till’s case went to the prosecutor, who in late June 2020 decided not to press charges. The prosecutor wrote that as far as libel is concerned, we have not said anything false about Ott. As regards spreading information in a manner that violates privacy, the prosecutor determined that we have written about Ott only concerning his conduct in public office or in a comparable position. He further noted that the case “has been dealt with extremely widely in various media”. Indeed, the facts we pointed out had been publicly known for years, having been reported by Nature and Science among others.

The story doesn’t end here. Ott has also sued the University of Turku and Stockholm University. The case against me and Till brought to my attention a dubious arrangement between the Nordic research Institute Nordita (hosted by Stockholm University) and the University of Turku. (I thank staff at Stockholm University for prompt answers to my questions on this topic.)

Nordita agreed in December 2017 to hire Ott for a two-year research position. Nordita then said they would not abide by the agreement. Ott claims that Stockholm University was worried about their reputation. According to Thors Hans Hansson, then head of Nordita, he decided to terminate Ott’s appointment after extensively consulting colleagues at Stockholm University and abroad, as they had a strong reaction to it.

Nordita then arranged for Ott to take up a position at the University of Turku instead, with Nordita covering 75% of the salary. When the position at Turku was cancelled, Ott claimed unpaid salaries and damages from Stockholm. The court ordered the university to pay Ott 726 000 Swedish crowns (about 70 000 euros) plus interest in salaries. The university did not have to pay damages, as it was not found to have acted otherwise in an inappropriate manner. (Here is the ruling in Swedish; this is a Google translation to English.) The Turku case continues.

The handling of the case seems both morally problematic and economically shortsighted. On the one hand, if Nordita found Ott’s background of harassment problematic in itself, why would it be less of a problem in Turku? On the other hand, if Ott’s background were not a problem as such, then cancelling his contract without a valid cause would be unjust towards Ott. The latter point also applies to the University of Turku. In his statement to the police, Kalervo Väänänen, the then rector of the University of Turku, says that the reason for cancelling Ott’s hire in Turku was the domestic and international reputational risk. Furthermore, agreeing to a hire and then cancelling it when the case comes to light can lead to lawsuits and damages, which would have been avoided if ethical issues had been taken into account from the beginning.

This highlights the importance of bringing harassment and similar problems to the public eye in addition to private appeals to leadership. It also shows the responsibility of media outlets in reporting on such issues and bringing the facts out. In the case of Ott the work of journalists was excellent, and Finnish media covered the case factually and widely. Of international media, BuzzFeed was particularly active in providing details.

This is part of a trend. In its December 2019 overview of the 2010s, Physics World ranked the growing understanding that the physics community needs to do more to advance equality and diversity as one of the biggest changes of the decade. (I wrote about the topic in an entry on the NORNDiP conference.) As an example, it mentioned the firing and resignation of high profile researchers guilty of harassment. The magazine observed that in earlier years the cases would likely have been swept under the carpet, and pointed to the openness brought by digital media as an agent of change.

Hopefully Ott’s case will give targets of harassment the strength to come forward with their experiences, members of the community the courage to support them, and to university leadership the foresight to take harassment seriously even when it is not in the spotlight.

---

Tonni tankissa

30.6.2020 klo 01.31, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla pidettiin CERNissä järjestetty etäkonferenssi Zooming in on Axions. Aiheena oli nimen mukaisesti aksionit, spekulatiiviset hyvin kevyet alkeishiukkaset. Aksionit ovat suosituimpia ehdokkaita pimeäksi aineeksi.

Aksioneja on tutkittu yli 40 vuotta, ja niiden suosio on viime vuosina kasvanut. Ne olivat nyt erityisen ajankohtaisia, koska koeryhmä XENON1T ilmoitti sattumalta konferenssia edeltävällä viikolla kenties havainneensa niitä. Koeryhmän jäsenen Michelle Gallowayn esitys aiheesta päätti konferenssin.

XENON1T on koe, jossa on tonni nestemäistä ksenonia tankissa. Tankki sijaitsee Gran Sasson kaivoksessa Italiassa, samassa paikassa kuin kiistelty pimeän aineen koe DAMA/Libra ja liikoja väittänyt neutriinokoe OPERA.

XENON1T on rakennettu etsimään raskaita pimeän aineen hiukkasia, niin sanottuja nynnyjä ja niiden kaltaisia hiukkasia. Periaate on yksinkertainen. Pimeää ainetta (jos sitä on olemassa) on kaikkialla. Koska Maapallo liikkuu, tankin läpi kulkee koko ajan pimeää ainetta. Jos pimeän aineen hiukkanen törmää tankissa olevan atomin ytimeen, atomista tulee valoa ja irtoaa elektroni, jotka havaitaan.

Koska nynnyjä ei ole näkynyt, koeryhmä on etsinyt myös muita mahdollisia hiukkasia. Jos pimeän aineen hiukkanen on kevyt, se ei anna ytimille isoa tönäisyä, mutta voi silti pystyä potkimaan elektroneja sijoiltaan, koska ne ovat kevyempiä. Koeryhmä löysikin huolellisen tarkastelun jälkeen signaalin: elektroneihin kohdistuu potkuja, joiden alkuperä on tuntematon.

Kiinnostavaa on se, että potkujen energia vastaa aksionimallien ennusteita. Koska aksionit ovat kevyitä, niiden tuottaminen ei vaadi paljon energiaa. Niinpä, jos aksioneja on olemassa, niitä syntyy koko ajan Auringon ytimessä. Koska aksionit vuorovaikuttavat aineen kanssa erittäin heikosti, ne pääsevät Auringosta pakoon. Maan läpi siis kulkee vuo aksioneja, joiden energia vastaa Auringon ytimen lämpötilaa. Kutkuttavasti XENON1T:n havaitsemien potkujen energia on juuri tämä.

XENON1T-ryhmä ei vielä väitä havainneensa aksioneja. Koelaitteiston pitää olla erittäin herkkä, jotta se voisi havaita aksionien heiveröisen signaalin. Tämä tarkoittaa myös sitä, että kaikki ympäristön häiriöt pitää olla hyvin selvillä. On mahdollista, että potkut johtuvat siitä, että laitteistossa on pieniä määriä tritiumia, joka hajoaa radioaktiivisesti. Aksioni tosin sopii havaintoihin paremmin kuin tritium, ja laitteisto on tarkkaan puhdistettu, mutta asiasta ei ole varmuutta.

On myös mahdollista, että kyseessä on sattuma. Sen todennäköisyys on naiivisti arvioiden noin 1:2000. Galloway vertasi tätä siihen, että heittää arpakuutiolla viisi kuutosta peräkkäin (minkä todennäköisyys on itse asiassa noin neljä kertaa pienempi).

Hiukkasfysiikassa tällaista pidetään vain vihjeenä jostain, löydöstä puhutaan vasta kun sattuman todennäköisyys alle noin yksi miljoonasta. Vuonna 2016 eräs LHC-kiihdyttimen kohuttu signaali osoittautui sattumaksi, vaikka naiivi arvio tämän todennäköisyydestä oli alle 1:100 000.

Syynä oli se, että LHC tuottaa valtavasti dataa, josta tehdään satoja analyysejä. Niinpä joskus törmää kohinaan, joka näyttää signaalilta. Jos heittää noppaa tuhat kertaa, ei ole kovin epätodennäköistä, että jossain kohtaa tulee peräkkäin viisi kuutosta.

XENON1T-kokeen tilanne on erilainen. Se, ja muut vastaavat pimeää ainetta etsivät kokeet, tekevät paljon vähemmän erilaisia etsintöjä. Siispä on vähemmän luultavaa, että kyseessä olisi sattuma kuin jos jokin LHC:n koe näkisi signaalin, jonka todennäköisyys olisi naiivisti arvioituna sama.

Tapaus on niin kiinnostava, että se toi hiukkasfyysikko Jesterin takaisin bloginsa satulaan kahden vuoden tauon jälkeen (teknisiä yksityiskohtia voi lukea hänen blogimerkinnästään ja sen kommenteista), mutta epäilyyn on vielä aihetta.

Yksi ongelma on se, että jos signaali johtuu aksioneista, niitä on liikaa. Potkujen määrästä voi päätellä, paljonko Auringossa syntyy aksioneja. Aksionien mukana tähdistä poistuu energiaa, joten ne jäähtyvät nopeammin. Tällaista ylimääräistä jäähtymistä ei ole havaittu, ja kokeen osoittama tahti on niin kova, että se muuttaisi tähtien kehitystä enemmän kuin mitä havainnot sallivat.

Havaintojen ja mallin ristiriitahan ei toki ole teoreetikolle ongelma vaan mahdollisuus. Ensimmäinen tieteellinen artikkeli, jossa tarjottiin havaintoja selittävää mallia, tuli julki kahdeksan tuntia koeryhmän ilmoituksen jälkeen. Puolessatoista viikossa artikkeleita on tullut 40, ja lisää on varmasti uunissa.

Asiaa eivät ratkaise teoreetikot, vaan lisähavainnot. Koeryhmä kasaa par’aikaa koetta XENONnT, joka on kolme kertaa XENON1T:n kokoinen ja jossa taustahäiriöt ovat paljon pienempiä. Se aloittanee toiminnan neljän kuukauden kuluttua. XENON1T:n analyysi perustui 227 päivän dataan, joten XENONnT saa alle muutamassa kuukaudessa kerättyä yhtä paljon dataa. Jos siinä näkyy samanlainen signaali, on järkevän epäilyn ulkopuolella, että kyseessä olisi sattuma. Mikä oleellisempaa, uusi laite pystyy myös erottamaan tritiumin ja aksionit toisistaan, niiden antamat potkut kun ovat hieman erilaisia.

Uusia tuloksia sopii siis odottaa vuoden sisään. Jos teoreetikoiden tahti pitää, siihen mennessä on ilmestynyt yli tuhat vaihtelevan laatuista artikkelia aiheesta.

Jos nynnyjä etsimään lähtenyt XENON1T on todella havainnut aksioneja, siitä tulee mieleen suurta yhtenäisteoriaa ja protonin hajoamista jahdannut Super-Kamiokande, joka löysi sen sijaan neutriinoiden muuttumisen toisikseen, mistä myönnettiin kaksi Nobelin palkintoa. Toisaalta voi muistaa, että mahdollisia pimeän aineen signaaleja on tullut paljon, ja suurin osa niistä on myös mennyt pois (ks. täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä).

---

Maastontuntemuksen merkitys

19.6.2020 klo 16.06, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Populaarit uutiset fysiikasta –ainakin hiukkasfysiikasta ja kosmologiasta– ovat usein niin kehnoja, että niitä luettuaan tietää vähemmän kuin ennen. Olen monasti kirjoittanut tiedeuutisoinnin ongelmista yksityiskohtaisesti, kuten täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä.

Tähän surkeaan tilanteeseen on monia syitä. Tutkijoiden (ja heidän yliopistojensa tai tutkimusinstituuttiensa) lehdistötiedotteet ovat usein harhaanjohtavia, mutta toimittajat tuppaavat kohtelemaan niitä vilpittömän puolueettomina yhteenvetoina aiheesta. Lisäksi tiede on laaja kenttä, ja monet aiheet ovat monimutkaisia, minkä takia voi olla vaikea ymmärtää mitä tutkijat sanovat, saati tarkistaa onko se totta.

Yksi toistuva ongelma on se, että uutiseksi nostetaan joku tieteellinen artikkeli irralleen tutkimuskentän viitekehyksestä. Yksittäinen tutkimus on kuitenkin vain puheenvuoro tieteellisessä keskustelussa, ja sen merkitys määrittyy suhteessa muihin tutkimuksiin.

Suurin ongelma ei ole se, tunteeko tutkimuksessa käytettyjä erikoistermejä ja matemaattisia menetelmiä. Niiden osalta asia on yleensä tarvittavilta osin suurelle yleisölle helposti selitettävissä.

Mutta tieteelliseen lukutaitoon kuuluu myös se, että tietää miten tutkimus suhtautuu aiempaan työhön samalta alueelta, millaisia oletuksia tutkimusalueeseen kuuluu ja minne alue sijoittuu tieteen maastossa. Kyse on niin yhteisön kuin tieteen tuntemuksesta, ja tutkijat oppivat hahmottamaan sen toimimalla osana tutkimusyhteisöä. Toimittajilla ei ole juuri muuta mahdollisuutta kuin kysyä asiasta tutkijoilta.

Tiede ei ole pino tietoa johon uudet tutkimukset lisätään päällimmäiseksi, vaan toisistaan riippuvien päättelyiden ja havaintojen verkko. Osa verkon säikeistä tukee pienen tai suuren alueen kasvua aikansa, jotkut luovat yhteyksiä eri alueiden välille, toiset paikkaavat taakse jääneitä aukkoja, monet eivät vie mihinkään.

Tieteen ytimessä on lähestymistapa, jossa kartoitetaan yhtä lailla epävarmuuksia kuin oivalluksia. Luonnontieteissä tämä on tarpeen, koska tutkitaan arkijärjelle vieraita asioita. Inhimillisemmillä aloilla syy on päinvastainen: tutkimuksen kohteista voi olla virheellisiä ennakkokäsityksiä.

Kosmologiassa ja hiukkasfysiikassa tiedeuutisoinnilla on vaikutusta siihen, miten hyvin tutkijoiden saavuttama ymmärrys maailmankaikkeuden perimmäisestä luonteesta välittyy alan ulkopuolisille, sekä varmaankin rahoitukseen.

Ilmastotieteessä panokset ovat korkeammat, koska kansalaisten käsitys aiheesta vaikuttaa poliittisiin päätöksiin, joilla on suuri vaikutus ihmisten elämään. Nyt pandemian aikana sama näkyy lääketieteen kohdalla. Ulkopuolisena on vaikea arvioida miten hyvin uutiset välittävät tutkimuksen kenttää, mutta ei ole harvinaista, että näiltäkin aloilta valikoidaan yksittäisiä artikkeleita tai tutkijoiden puheenvuoroja antamatta tarvittavia tietoja niiden asettamiseen paikalleen.

Yksi ohjenuora tilanteen korjaamiseen olisi se, että toimittajien pitäisi ymmärtää asia, josta he kirjoittavat – ja mikä tärkeämpää, ymmärtää mitä he eivät tiedä, jotta osaavat kysyä. Asiaa auttaa se, jos on jo valmiiksi jonkinlainen käsitys aiheesta, josta on kirjoittamassa. Jos ei ole koskaan ennen tutustunut vaikka kosmologiaan tai epidemiologiaan, ei ole mitään valmiuksia arvioida ja mielekkäästi välittää alan uusia tutkimustuloksia. Tausta tieteessä olisi hyödyksi, mutta hyvään popularisointiinkin tutustumalla pääsee pitkälle.

Esimerkkinä erinomaisesta tiedejournalismista, jossa palikat ovat kohdallaan, voi matematiikan ja luonnontieteiden alalta mainita lehden Quanta.

Tieteen alojen määrä ja merkitys kasvaa koko ajan, ja on syytä tunnustaa, että niistä kirjoittaminen järkevästi vaatii perehtymistä. Tämä tarkoittaa myös sitä, että toimituksen pitää antaa artikkeleiden tekemiseen tarpeeksi aikaa, sen sijaan että toimittajien odotetaan toistavan muiden lehtien juttuja tai yliopistojen tiedotteita ymmärtämättä mistä on kyse.

On the road to diversity

2.6.2020 klo 17.35, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

My article On the Road to Diversity about the second conference of NORNDiP (Nordic Network for Diversity in Physics) and related equality and diversity topics has been published in the physics and mathematics magazine Arkhimedes 1/2020 (page 16).

Kirjoitin aiheesta suomeksi aiemmin täällä.

Etäisiä otoksia

31.5.2020 klo 23.20, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tällä viikolla Durhamin yliopiston hiukkasfysiikan instituutti IPPP järjesti etäkonferenssin RECONNECT (REmote COnference on NEw Concepts in particle Theory). Järjestäjät sanoivat haluavansa vastata kahden c:n (climate change ja corona, ilmastonmuutos ja koronavirus) haasteeseen ja auttaa ylläpitämään hiukkasfysiikan yhteisöä tilanteessa, jossa yhteistyön tekeminen on vaikeutunut.

Etäkonferensseissa on etunsa. Kuten järjestäjät totesivat, osallistumista eivät rajoita rahalliset, poliittiset (kasvava ongelma erityisesti Yhdysvalloissa) tai henkilökohtaisista syistä johtuvat esteet matkustamiselle.

Lisäksi puhujiksi on mahdollista saada tutkijoita laajemmalta alueelta kuin yleensä. Normaalisti esityksen valmistelun ja pitämisen lisäksi puhujalla menee ainakin pari päivää matkustamiseen. Tämän takia konferenssiin ei välttämättä viitsi lähteä elleivät muiden puheet kiinnosta tarpeeksi. Etätapaamisessa puheen voi pitää omassa nojatuolissa, joten RECONNECTiin oli saatu kerättyä laaja kirjo hiukkasfysiikan eri alojen kärkinimiä.

Haittapuoli on se, että etäpuheisiin on vaikeampi keskittyä. Tämän takia ohjelma oli tavallista konferenssia väljempi, tunnin pituisia puheita oli kolme tai neljä päivässä. Esitykset oli ajoitettu siten, että ainakin jotkut ovat sopivaan aikaan riippumatta siitä, missä päin maailmaa on.

Puheiden seuraaminen yhdessä kollegoiden kanssa, jotka ovat eri vuorokaudenajoissa eri puolilla samaa palloa korostaa sekä yhteyttä että etäisyyttä. Hiukkasfysiikassa seremoniaan kuuluu taputtaa puheen loputtua ja uudelleen kysymysten jälkeen, ja tuntuu oudolta niin olla taputtamatta kuin taputtaa yksin.

Yleensä konferensseissa kuuntelen kaikki puheet (paitsi jos niitä on useita samaan aikaan), nyt poimin vain ne, joita pidin erityisen kiinnostavina. Mainitsen tässä vain muutaman otoksen.

Hitoshi Murayama puhui pimeän aineen malleista, joissa pimeän aineen hiukkanen on osa kokonaisuutta, joka on hyvin samankaltainen kuin kvarkkeihin liittyvä värivuorovaikutus. Tämä on vähän samanlainen kuin tekniväri, mutta pienemmillä massoilla, teknivärin hiukkasia kun ei ole kiihdyttimissä näkynyt.

Murayama teki kiinnostavan huomion hiukkasfysiikan ”sosiologiasta”, kuten hiukkasfyysikot tutkimukseen vaikuttavia yhteisöllisiä tekijöitä kutsuvat.

Sen jälkeen, kun hiukkasfysiikan Standardimalli saatiin 1970-luvulla valmiiksi, hiukkasfysiikka kääntyi ratkaisemaan sisäisiä ongelmia. Yritettiin selittää esimerkiksi sitä, miksi Standardimallin energiaskaala on niin paljon pienempi kuin kvanttigravitaation, tai miksi Standardimallista puuttuu yksi mahdollinen vuorovaikutus.

Havainnot toivat pimeän aineen mukaan kuvioihin 70-80-luvun vaihteessa, mutta sitä pidettiin pitkään toissijaisena. Jos malli sisälsi muun muassa pimeää aineen hiukkasen, se oli ehkä mukava pieni lisä. Tutkimusta ajoivat suuret ideat huipulta alas, kuten supersymmetria ja ylimääräiset ulottuvuudet.

Näille ideoille ei ole hiukkaskiihdyttimissä eikä muissa kokeissa löytynyt tukea, eikä pitkään suosituinta pimeän aineen ehdokasta, nynnyä, ole odotuksista huolimatta löytynyt. Toisaalta kosmologiassa on piisannut uusia havaintoja, joita pimeä aine selittää. Niinpä on kysyntää (tai ainakin tarjontaa) uusille pimeän aineen ehdokkaille. Näin pimeä aine on noussut hiukkasfysiikan keskeiseksi kysymykseksi. Nyt pidetään tärkeänä, että mallissa on havaintoihin sopiva pimeän aineen hiukkanen; jos malli liittyy aiemmin tärkeinä pidettyihin teoreettisiin kysymyksiin, niin se voi olla kiva lisä.

Kosmologian ja astrofysiikan vahva asema näkyy siinäkin, että Juan Maldacena, joka tunnetaan parhaiten uraauurtavista teoreettisista oivalluksista gravitaation ja hiukkasfysiikan suhteesta säieteoriassa, puhui mustista aukoista, joilla on magneettinen varaus. Vaikka Maldacena käsitteli mustia aukkoja teoreettisesti, hän korosti niiden mitattavia ominaisuuksia ja pohjusti sen selvittämistä, olisiko niitä todella olemassa ja miten niitä voisi havaita.

Gerardus ’t Hooftin puhe oli spekulatiivisemmasta ja perustavanlaatuisemmasta päästä. ’t Hooft on omaperäinen ajattelija ja hän oli keskeinen hahmo hiukkasfysiikan Standardimallin kehittämisessä. Yhdessä väitöskirjaohjaajansa Martinus Veltmanin kanssa hän osoitti vuonna 1971, että Standardimalli on matemaattisesti ristiriidaton. Kaksikolle myönnettiin työstä Nobelin palkinto vuonna 1999.

’t Hooftista kertoo jotain se, että hän todisti seuraavana vuonna, että värivuorovaikutuksen voimakkuus menee nollaan pienillä etäisyyksillä, mutta piti asiaa niin vähäpätöisenä, että ei viitsinyt julkaista työtään. Tuloksen vuotta myöhemmin julkaisseet David Gross, Frank Wilczek ja David Politzer palkittiin siitä vuonna 2004 Nobelin palkinnolla. ’t Hooft ei ole välittänyt seurata muotia eikä antanut muiden mielenkiinnon määrätä tutkimusaiheitaan. Jotkut hänen ideansa ovat olleet mullistavia, toisten kohtalo on vielä epäselvä.

’t Hooft puhui siitä, miten kvanttimekaniikan taustalla voisi olla deterministinen teoria. Hän on työskennellyt aiheen parissa vuosia, ja on löytänyt kiinnostavia samankaltaisuuksia yksinkertaisten determinististen teorioiden ja kvanttimekaniikan rakenteen välillä. Kvanttimekaniikan kaikkien piirteiden selittäminen ei kuitenkaan ole onnistunut. Tällaisten perusteisiin pureutuvien läpimurtokysymysten pohtimista vaikeuttaa läpimurtoja janoava lyhytjänteinen rahoitusympäristö, eikä moni ’t Hooftin lisäksi asiaa mieti.

Konferenssipuheista saa usein selkeämmän käsityksen siitä, mistä on kyse ja mitä ideoita työn taustalla on kuin tieteellisistä artikkeleista. Tämä toimii myös etäpuheissa, vaikka vuorovaikutus onkin kömpelömpää. Konferenssien sosiaalinen anti on tärkeä, ja kytkeytyy vahvasti tieteeseen. Usein tutkimushankkeet lähtevät liikkeelle puheista kimmokkeensa saaneista epämuodollisista keskusteluista ja väittelyistä. Tämä etätapaamisista puuttuu. Ne ovat kokoelma konferenssin palasia, joiden välistä puuttuu oleellisia osia. Etäkonferensseja on lähiaikoina luvassa lisää, joten näemme miten niiden vahvuuksia opitaan paremmin hyödyntämään ja heikkouksia lieventämään.

---

Seitsemän ennustusta menneisyydestä

16.5.2020 klo 16.37, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kosminen inflaatio on paras selitys sille, miksi maailmankaikkeus näyttää isossa mittakaavassa samanlaiselta kaikkialla ja mikä on rakenteiden, kuten galaksien, planeettojen ja kissojen, alkuperä. Inflaation mukaan varhaisina aikoina avaruuden laajeneminen kiihtyi ja kvanttivärähtelyt jäätyivät rakenteen siemeniksi.

Olen maininnut, että inflaatio on ainoa fysiikan alue, jossa kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria on yhdistetty siten, että on tehty ennusteita joita on onnistuneesti testattu. Inflaatio on siis toistaiseksi ainoa kokeellinen kosketuksemme kvanttigravitaatioon. Avainasemassa ovat havainnot galaksien jakaumasta ja kosmisesta mikroaaltotaustasta. Yksi tärkeimpiä havaintolaitteita on ollut Euroopan avaruusjärjestö ESAn Planck-satelliitti.

Inflaatio tapahtui kenties ensimmäisen sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tienoilla. Saattaa tuntua uskomattomalta, että noin varhaisista ajoista voidaan saada mitään tietoa. Selvennän tässä asiaa käymällä läpi inflaation seitsemän ennustusta.

1. Avaruus on tasainen

Inflaatio ennustaa, että avaruus on keskimäärin hyvin laakea (sen sijaan että se olisi kaareva), eivätkä yhdensuuntaiset viivat kohtaa.

Avaruuden kiihtyvä laajeneminen on kuin suurennuslasi: se venyttää avaruuden osia isommiksi. Jos jotain kaarevaa katsoo tarpeeksi läheltä, se näyttää tasaiselta. Pala Maapalloakin näyttää tasaiselta kun pläntti on tarpeeksi pieni, vaikka Helsingin kokoinen.

Avaruuden tasoittaminen oli yksi alkuperäinen motivaatio inflaatiolle 1980-luvun alussa. Tuolloin havainnot avaruuden kaarevuudesta olivat hyvin epätarkkoja. Nykyisten havaintojen mukaan (ainakin niiden yksinkertaisimmassa tulkinnassa) avaruuden kaarevuus on nolla tuhannesosan tarkkuudella.

Tasaisuus ei ole kovin monimutkainen ennuste: se kertoo vain, että yksi maailmankaikkeutta kuvaava luku on nolla. Inflaation tärkeimmät ennusteet koskevat aineen ja aika-avaruuden epätasaisuuksia, joissa on enemmän yksityiskohtia.

2. Epätasaisuudet ovat lähes samanlaisia kaikissa mittakaavoissa

Kiihtyvä laajeneminen pyyhkii pöydän tyhjäksi aiemmista epätasaisuuksista. Sen aikaiset kvanttivärähtelyt taasen selittävät, miksi näkemämme maailmankaikkeus ei ole aivan tasainen, vailla mitään rakenteita.

Aineessa ja aika-avaruudessa on koko ajan kvanttivärähtelyitä. Inflaation aikana nämä häiriöt venyvät hiukkasfysiikan piperryksestä kosmisiin mittoihin ja niiden värähtely hidastuu lähes olemattomiin. Samalla ne muuttuvat kvanttivärähtelyistä tavallisiksi epätasaisuuksiksi. (Tarkemmin tässä merkinnässä.)

Jäätyneet aallot vain venyvät muotonsa säilyttäen. Samalla koko ajan syntyy, venyy ja jäätyy pienempiä aaltoja. Mitä varhaisemmin aalto syntyy, sitä enemmän se ehtii venyä.

Jos olosuhteet olisivat samat koko inflaation ajan, aaltojen korkeus olisi samanlainen kaikille aallonpituuksille. Inflaation aikana aika-avaruuden kaarevuus kuitenkin vähän laskee. Tämän takia myöhemmin syntyvät (eli lyhyemmät) aallot ovat heikompia, eli niiden korkeus on pienempi.

Aallot pysyvät jäissä kunnes inflaatio loppuu. Sitten ne alkavat hiljalleen värähdellä yksi toisensa jälkeen, pienimmistä alkaen. Kosmisessa mikroaaltotaustassa, joka on valokuva maailmankaikkeudesta 380 000 vuoden ikäisenä, näkyy niin jäätyneitä kuin värähteleviä aaltoja. Siitä on mitattu, että lyhyemmät aallot ovat tosiaan vähän matalampia kuin pitkät, ja suhde vastaa inflaation ennustetta.

Koska kyse on kvanttifysiikasta, jokaisen aallon korkeus itse asiassa määräytyy sattumanvaraisesti, ja on siksi erilainen. Tässä on siis kyse aaltojen tyypillisestä korkeudesta. Mutta inflaatio ennustaa myös sen, millainen aallonkorkeuksien todennäköisyysjakauma on.

3. Epätasaisuuksien jakauma on gaussinen

Kvanttifysiikka kertoo, että inflaatiossa todennäköisyys kunkin aallon korkeudelle on muista aalloista riippumaton ja että todennäköisyysjakauma korkeudelle on kellokäyrän muotoinen. Tällaisia epätasaisuuksia sanotaan gaussisiksi.

Tämä on inflaation parhaiten testattu ennustus: havaitut epätasaisuudet kosmisessa mikroaaltotaustassa ovat gaussisia sadastuhannesosan tarkkuudella.

4. Epätasaisuudet ovat kaikkialla samanlaisia

Kvanttivärähtelyjen kehitys määräytyy niiden ympäristöstä. Koska inflaatio pyyhkii pois kaikki aiemmat epätasaisuudet, avaruus on samanlainen kaikkialla, joten kvanttivärähtelyt ovat samanlaisia joka paikassa ja suunnassa.

Niinpä kvanttivärähtelyistä myöhemmin syntyvät kosminen mikroaaltotausta ja galaksit ovat tilastollisesti samanlaisia kaikkialla. Yksittäiset galaksit ja niiden ryppäät ovat erilaisia, mutta kun katsotaan kuutiota, jonka sivu on vähintään 500 miljoonaa valovuotta, sen sisällä olevat rakenteet ovat keskimäärin samanlaisia olipa kuutio missä tahansa paikassa tai asennossa.

Pienemmässä mittakaavassa gravitaatiosta johtuva klimppiytyminen on piilottanut tämän alkuperäisen samankaltaisuuden. Inflaatio ennustaa myös sen, millaista tämä gravitaatio on.

5. Gravitaatio näyttää samanlaiselta kuin Newtonin teoriassa

Aineen liike gravitaation alla liittyy aika-avaruuden epätasaisuuksiin. Tämä on helppo ymmärtää: jos joka suunnassa olisi samanlaista, ei gravitaatio voisi vetää mihinkään päin. Yleisessä suhteellisuusteoriassa on kolmenlaisia gravitaatiokenttiä, jotka ovat aika-avaruuden kaarevuuden erilaisia ilmentymiä.

Ensinnäkin on samanlainen gravitaatiokenttä kuin Newtonian teoriassa. Mitä isompi on energian tihentymä, sitä isompi on kentän arvo. Tämä kenttä vetää kappaleita toisiaan kohti.

Toisekseen on gravitaatiokenttä, joka syntyy aineen liikkeestä, ja osoittaa aineen nopeuden suuntaan. Tämä kenttä kiertää kappaleita ratoja, sen sijaan että vetäisi niitä kohti massakeskittymiä.

Kolmannekseen on gravitaatioaaltoja, jotka matkaavat valonnopeudella ympäriinsä ja muuttavat etäisyyksiä läpi kulkiessaan.

Inflaatio ennustaa, että gravitaatiokenttä on enimmäkseen samanlainen kuin Newtonin teoriassa ja että liikkeen synnyttämä kenttä on mitättömän pieni. Gravitaatioaaltojen voimakkuus on inflaation mukaan pienempi kuin tavallisen gravitaatiokentän. Tarkka suhde riippuu siitä, miten inflaatio on tarkalleen tapahtunut.

Yksinkertaisimmissa inflaatiomalleissa gravitaatioaaltojen voimakkuus on noin puolet tavallisen gravitaatiokentän voimakkuudesta. Mutta näin voimakkaiden aaltojen vaikutus olisi jo nähty kosmisessa mikroaaltotaustassa. Koeryhmä BICEP2 väittikin vuonna 2014 havainneensa ne, mutta oli väärässä. Joissakin inflaatiomalleissa aallot ovat niin heikkoja, että niitä ei tulla havaitsemaan nähtävissä olevassa tulevaisuudessa.

6. Rakenteen siemeniä syntyy vain varhaisina aikoina

Inflaation mukaan epätasaisuudet ovat syntyneet hyvin varhaisina aikoina, ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana. Sen jälkeen ne ovat vain kehittyneet gravitaation myötä. Tämä vastaa havaintoja.

1980-luvulla inflaation kanssa kilpaili idea, jonka mukaan epätasaisuudet syntyvät kosmisten säikeiden liikkuessa ainepuuron läpi. Säikeet synnyttäisivät epätasaisuuksia jatkuvasti, mikä on ristiriidassa havaintojen kanssa.

7. Epätasaisuudet ovat samanlaisia eri hiukkasille

Kun inflaatio loppuu, sitä ajanut kenttä (ehkä Higgsin kenttä) hajoaa hiukkasiksi. Paikkoihin, missä kenttä on voimakkaampi, syntyy enemmän hiukkasia. Jos kaikki aine on peräisin tästä samasta kentästä, niin näihin paikkoihin syntyy siis enemmän jokaista hiukkaslajia: tavallista ainetta, pimeää ainetta, fotoneita ja neutriinoita.

Tämä koskee varhaista maailmankaikkeutta. Kun tavallinen aine ja pimeä aine myöhemmin tihentyvät gravitaation takia, tilanne muuttuu, koska neutriinot kasautuvat paljon myöhemmin ja valo ei lainkaan.

Havaintojen perusteella varhaisessa maailmankaikkeudessa eri hiukkaslajien kummut ja laaksot todella olivat samoissa kohdissa, noin prosentin tarkkuudella.

Kosmiset säikeet ennustivat päinvastaista. Ne saavat aikaan epätasaisuuksia sekoittamalla eri hiukkaslajeja keskenään, niin että yhden kummussa on toisen laakso.

Inflaatio ei ole teoria eikä malli, vaan tieteellinen idea, josta on olemassa erilaisia toteutuksia. On satoja inflaatiomalleja, joissa on erilaisia kenttiä ja erilaisia gravitaatioteorioita, ja ne ennustavat erilaisia asioita. Lähes kaikkia yllä mainittuja ennusteita voi muuttaa kun tarpeeksi säätää: avaruuden kiihtyvällä laajenemisella voi olla erityinen suunta, aaltojen korkeus voi pienentyä aallonpituuden myötä sen sijaan että se kasvaisi, ja niin edelleen.

Tarkkaan ottaen ei siis pitäisi puhua inflaation ennusteista, ainoastaan inflaatiomallien ennusteista. Tämän takia jotkut ovat arvostelleet inflaatiota epätieteelliseksi. Mutta on tavallista, että onnistuneista ideoista esitetään kaikenlaisia versioita. Yksinkertaisten inflaatiomallien ennusteiden on havaittu pitävän kutinsa kerta toisensa jälkeen, mikä on lisännyt luottamusta ideaan. Inflaatiossa syntyneiden gravitaatioaaltojen löytäminen olisi kirsikka kakun päälle.

Päivitys (18/05/20): Korjattu korkeat-> pitkät.

---

Jälleen fysiikkaa runoilijoille

12.5.2020 klo 16.18, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luennoin taas kurssin Fysiikkaa runoilijoille, alkaen 1. syyskuuta. Ilmoittautuminen opiskelijoille aukeaa kesäkuun lopulla, mutta kurssille ovat tervetulleita myös Helsingin yliopiston ulkopuoliset.

Kurssin tarkoituksena on avata fysiikan käsitteitä ja maailmankuvallista merkitystä. Käsittelytapa on kvalitatiivinen ja keskusteleva. Aiheisiin kuuluu Newtonin klassinen mekaniikka, suppea suhteellisuusteoria, yleinen suhteellisuusteoria, kvanttimekaniikka, kvanttikenttäteoria ja hiukkasfysiikka, kosmologia sekä yritykset kohti kaiken teoriaa. Tieteen historiaa ja filosofiaa käsitellään vähän.

Olen aiemmin luennoinut kurssin vuosina 2016 ja 2019. Lisäsin kurssin sivuille kurssin käyneiden antamia neuvoja tuleville kurssilaisille, niistä näkyy hieman miten opiskelijat kurssin kokivat. Kirjoitin vuoden 2016 kurssin palautteesta laajemmin täällä.

---

Huippujen laskeminen

29.4.2020 klo 16.06, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Oikeakätinen neutriino on kenties yksinkertaisin ehdokas pimeän aineen hiukkaseksi. Viime kuussa kirjoitin oikeakätisen neutriinon yhteydestä siihen kysymykseen, miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antiainetta. Tulin kommenteissa maininneeksi, että oikeakätisen neutriinon massalle on yläraja siitä, että se voi hajota tavalliseksi neutriinoksi ja röntgensäteeksi, eikä tällaista säteilyä ole nähty.

Kommenttini sattuikin olemaan sikäli ajankohtainen, että Science-lehdessä julkaistiin viisi päivää sen jälkeen artikkeli (tässä ilmainen versio), jonka pääsisältö on juurikin se, että tuota neutriinoiden hajoamissäteilyä ei ole havaittu. Kaksi ja puoli viikkoa myöhemmin puolestaan julkistettiin kaksi sitä arvostelevaa artikkelia. Selvitän tässä tilannetta, mutta tiivistettynä vastaus kysymykseen siitä, onko pimeän aineen säteilyä havaittu on ”ehkä”.

Jos pimeän aineen hiukkanen voi hajota, siitä syntyvää säteilyä pitäisi tulla joka puolelta, koska pimeää ainetta on kaikkialla. Säteilyä pitäisi tulla sitä enemmän, mitä isompi pimeän aineen tiheys on. Niinpä kirkkaimmin pimeydestä hohtaisivat sellaiset paikat kuin Linnunradan keskusta ja galaksiryppäät.

Valitettavasti siellä, missä on eniten pimeää ainetta on myös eniten tavallista ainetta. Suurin pulma on pimeän aineen säteilyn erottaminen tavallisen aineen säteilyn seasta. Tämä ongelma on riivannut myös muiden pimeän aineen hiukkasiksi tarjottujen ehdokkaiden annihilaatiossa syntyvän signaalin etsimistä.

Syynäämistä helpottaa se, että hajoamisessa tai annihilaatiossa syntyvillä hiukkasilla on aina sama energia. Jos oikeakätinen neutriino hajoaa neutriinoksi ja fotoniksi, kummankin energia vastaa puolta neutriinon massasta. Niinpä taivaalla näkyvän säteilyn energiajakaumassa pitäisi näkyä terävä piikki.

Useimpien tähtitieteellisten kappaleiden ja ilmiöiden –vaikkapa neutronitähtien törmäysten– lähettämän säteilyn kirkkaus riippuu melko tasaisesti energiasta kuin nouseva tai laskeva mäki, siinä ei ole kapeita piikkejä eikä kuoppia. Poikkeuksena ovat yksittäiset atomit, joiden energia on kvantittunut, eli ne lähettävät valoa vain tietyillä energioilla.

Oikeakätisten neutriinojen etsimiseen taivaalta on siis periaatteessa yksinkertainen resepti: mitataan röntgensäteitä, siivotaan pois tasaisesti energiasta riippuva tausta ja atomien tunnetut energiapiikit. Jos jäljelle jää energiapiikki, on löydetty pimeää ainetta. Säteilyn energia kerrottuna kahdella kertoo sitten pimeän aineen hiukkasen massan. Säteilyn kirkkaudesta voi puolestaan päätellä hiukkasen eliniän, jos tietää pimeän aineen tiheyden. Mitä lyhytikäisempi hiukkanen, sitä useammin niitä hajoaa, joten sitä enemmän säteilyä tulee.

Reseptin seuraaminen ei käytännössä ole aivan helppoa. Viime viikkoina esille nousseen kiistan juuret ovat vuoden 2014 havainnoissa. Silloin kaksi ryhmää kävi läpi galaksiryppäistä ja Andromedan galaksista tehtyjä röntgensädehavaintoja. Eri kohteissa näkyi energiahuippu, joka ei vastaa mitään atomien lähettämää valoa ja sopii hyvin oikeakätisen neutriinon odotettuun massaan. Lisäksi eri teleskooppien havainnot olivat yhteensopivia. Säteilyn kirkkaus vieläpä sopi pimeän aineen odotettuun tiheyteen ja oikeakätisen neutriinon mahdolliseen elinikään. Havaintojen mukaan oikeakätisen neutriinon elinikä olisi 10^27 sekuntia, eli kymmenen miljardia kertaa pidempi kuin maailmankaikkeuden ikä. (Koska hiukkasia on paljon, osa niistä silti hajoaa koko ajan.)

Signaali oli kuitenkin heikko, kirkkaus oli huipussaan vain prosentin taustaa korkeammalla. Lisäksi esitettiin erilaisia tähtitieteellisiä selityksiä huipun alkuperälle. Tulkintaa vaikeutti se, että röntgenteleskoopit eivät pystyneet mittaamaan energiaa tarpeeksi tarkkaan tehdäkseen eroa terävän piikin ja vähän leveämmän huipun välillä. Niinpä jäätiin odottamaan uusia havaintoja, jotka voisivat varmistaa tai kumota piikin olemassaolon ja alkuperän.

Nyt maaliskuussa julkaistussa Science-lehden artikkelissa onkin kokonaisen vuoden verran uusia röntgenhavaintoja Linnunradasta. Tutkijat katsoivat Linnunradan sellaisia suuntia, joissa taivas on mahdollisimman tyhjä, jotta tavallisesta aineesta syntyvää säteilyä olisi mahdollisimman vähän. He eivät löytäneet mitään energiapiikkiä. Tästä he päättelivät, että pimeä aine ei ole oikea selitys aiemmille havainnoille galaksiryppäistä ja Andromedasta, koska silloin myös näissä Linnunradan havainnoissa olisi pitänyt näkyä huippu.

Tässä vaiheessa mainittakoon, että vaikka Science ja Nature ovat maailman arvostetuimpia tiedelehtiä, kosmologiassa niille vähän naureskellaan. Näihin lehtiin halutaan erityisen tärkeitä tuloksia ja läpimurtoja, mikä johtaa (ainakin kosmologiassa) siihen, että niissä julkaistaan suureelliseen kuosiin puettua vakiotavaraa sekä liian kauas kurottavia ja siksi virheellisiä tuloksia.

Niin ilmeisesti nytkin. Kaksi ja puoli viikkoa Sciencen artikkelin ilmestymisen jälkeen (se oli sitä ennen ollut yli vuoden saatavilla arXiv-nettiarkistossa) jälkeen kahdessa kommentissa huomautettiin vakavista puutteista.

Science-artikkelin kirjoittajat vertasivat analyysissään kahta vaihtoehtoa: onko energiajakauma tasainen vai onko tasaisen jakauman päällä yksi huippu? Näistä tasainen jakauma ilman huippua sopii havaintoihin paremmin. Havaitulla energia-alueella on kuitenkin kaksi tunnettua atomeista syntyvää energiahuippua. On siis mielekkäämpää verrata seuraavaa kahta vaihtoehtoa: tasainen jakauma plus kaksi huippua vai tasainen energiajakauma plus kolme huippua?

Käyrä, jossa on kolme huippua sopii havaintoihin selvästi paremmin kuin sellainen, jossa on vain kaksi huippua tai ei yhtään. Science-artikkelin kirjoittajat eivät siis onnistuneet löytämään taivaalta tarpeeksi tyhjää aluetta, etteikö siellä hehkuvia atomeita lymyäisi. Sitten he olivat luulleet kolmea matalaa vierekkäin olevaa huippua tasaiseksi käyräksi.

Kolmannen huipun paikka ja korkeus sopii hyvin yhteen aiempien havaintojen kanssa. Havaintojen tarkkuus ei kuitenkaan vieläkään riitä pimeän aineen selityksen varmistamiseen tai kumoamiseen. Tarvitaan parempia laitteita.

Japanin avaruusjärjestö JAXA laukaisi helmikuussa 2016 Hitomi-satelliitin, jonka laitteiden joukossa oli erittäin tarkka röntgenteleskooppi. Hitomin odotettiin ratkaisevan ongelman hyvin nopeasti. Ohjelmisto- ja laiteongelmien takia satelliitti kuitenkin tuhoutui kiertoradalla maaliskuussa 2016 ennen mittausten aloittamista. JAXA lähettää yhdessä Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASAn ja Euroopan avaruusjärjestö ESAn kanssa lähivuosina taivaalle XRISM-teleskoopin, joka korvaa Hitomin. Tuloksia odotetaan suurella mielenkiinnolla.

Oikeakätisten neutriinojen metsästykseen suunnitellaan myös hiukkaskiihdytinkokeita. Jos jotain löytyy taivaalta tai maan päältä, toisella saralla voidaan varmistaa ensimmäinen havainto täysin riippumattomasti – tai osoittaa, että jotain on taas tulkittu väärin.

---

Kuin putoava kivi

18.4.2020 klo 14.31, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Aika-avaruutta kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian ja ainetta kuvaavan kvanttifysiikan yhdistäminen on fysiikan kenties suurin avoin kysymys. Ongelman kokonaisuuden kanssa ei tiedetä edes, ollaanko menossa oikeaan suuntaan, mutta kahdesta asiasta on melko vankalla pohjalla oleva ennuste.

Vuosina 1974-75 Stephen Hawking osoitti, että mustan aukon luona kvanttikentät säteilevät ulospäin. Vaikka tähtien romahduksessa syntyneitä mustia aukkoja on havaittu, niiden Hawkingin säteily on sen verta heikkoa, että sitä tuskin tullaan ikinä mittaamaan.

Toisaalta joukko tutkijoita –kärjessä Vjatseslav Mukhanov ja V.G. Chibisov– hahmotti 1980-luvun alussa, että varhaisessa maailmankaikkeudessa kosmisen inflaation aikana aika-avaruudessa on kvanttivärähtelyitä, jotka jäätyvät paikalleen. Näin syntyy pieniä epätasaisuuksia maailmankaikkeuden aineessa. Ne toimivat galaksien, planeettojen ja kaiken muun rakenteen siemeninä gravitaation kasvattaessa tihentymiä.

1980-luvulla kosminen inflaatio oli yksi spekulaatio muiden joukossa. Inflaatio kuitenkin eroaa Hawkingin säteilystä siinä, että sitä on 90-luvulta alkaen kokeellisesti testattu. Inflaatio ennustaa millaisia kvanttivärähtelyt ovat, ja kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ja galaksien jakauma taivaalla vastaavat ennusteita monin tavoin.

Periaatteessa kuitenkin jokin muu tapahtuma voisi rypyttää maailmankaikkeutta samalla tavalla. Luottamusta inflaatioon lisäisi se, jos saisimme osoitettua, että rypyt ovat tosiaan peräisin kvanttivärähtelyistä.

Kvanttifysiikassa todellisuus on epämääräinen: esimerkiksi hiukkasilla ei ole määrättyä paikkaa, ainoastaan todennäköisyys olla eri paikoissa. Mitä tarkemmin hiukkasen paikka on määrätty, sitä epämääräisempi sen nopeus on, ja toisinpäin. Klassisessa fysiikassa sen sijaan hiukkasella on koko ajan sekä määrätty paikka että nopeus.

Arjen esineillä todennäköisyys olla yhdessä tietyssä paikassa ja liikkua tietyllä nopeudella on hyvin iso ja todennäköisyys olla missään muualla ja liikkua millään toisella nopeudella hyvin pieni, eli ne näyttävät käyttäytyvän klassisen fysiikan mukaan. (Ei tosin oikein ymmärretä miksi.) Mutta pienessä mittakaavassa –ja varhaisessa maailmankaikkeudessa– epämääräisyys on merkittävää.

Kosmisesta inflaatiosta on vastuussa jokin kenttä –ehkä Higgsin kenttä, ehkä joku toistaiseksi tuntematon kenttä– joka panee avaruuden laajenemaan kiihtyvällä nopeudella.

Kuten hiukkasen paikalla, kentän voimakkuudella ei ole yhtä määrättyä arvoa, vaan eri arvoja eri todennäköisyyksillä. Tätä arvojen epämääräisyyttä sanotaan kvanttivärähtelyiksi. Kun kentän voimakkuudesta tulee määrätty (ei tiedetä miten tämä tapahtuu), sen arvot eri paikoissa määräytyvät tämän todennäköisyysjakauman mukaan. Inflaation lopussa hajoaa tavalliseksi aineeksi, ja paikoissa, joissa kentän arvo on isompi, syntyy enemmän ainetta, ja niihin kehittyy galakseja. Inflaatiota ajaneen kentän arvojen todennäköisyysjakauma on siten painettu galaksien jakaumaan, ja myös kosmiseen mikroaaltotaustaan.

Nopeus, jolla kentän arvo muuttuu inflaation aikana, on sekin epämääräinen. Kentän muutosnopeus liittyy kentän arvoon samalla tavalla kuin hiukkasen nopeus liittyy hiukkasen paikkaan: mitä määrätympi on yksi, sitä epämääräisempi on toinen.

Inflaation aikana todennäköisyys pusertuu siten, että kentän arvosta tulee yhä tarkempi ja muutosnopeudesta yhä epämääräisempi. Samalla kuitenkin kentän arvo määrää muutosnopeuden yhä tiukemmin, eli ne ovat yhä vahvemmin kytköksissä.

Tämä ei ole ristiriitaista, vaikka siltä voi aluksi tuntua. Tilannetta voi verrata korkealta pudotettuun kiveen. Jos tietää, missä kohtaa kivi on, tietää tarkasti myös sen nopeuden, jos tuntee gravitaation ja ilmanvastuksen. Mutta nopeuden tietäminen ei anna yhtä tarkkaa tietoa kiven paikasta sen pudottua jonkin aikaa, koska ilmanvastuksen takia nopeus on alkuvaiheen jälkeen melkein sama paikasta riippumatta. Siis pieni muutos paikassa ei juuri vaikuta nopeuteen, mutta pieni ero nopeudessa tarkoittaa hyvin erilaista paikkaa.

Klassisessa fysiikassa paikalla ja nopeudella on tarkasti määrätty arvo, eli jos tietää yhden tismalleen, niin tietää toisenkin tismalleen. Mutta jos molemmilla olisi vain todennäköisyysjakauma, ja paikan todennäköisyys olisi keskittynyt yhteen arvoon, niin nopeuden todennäköisyysjakauma olisi hyvin lavea. Juuri näin käy inflaatiossa kentän arvon ja muutosnopeuden suhteen. Kentän nopeus lähestyy vakiota kuin putoavan kiven nopeus, joten pieni muutos kentän arvossa johtaa isoon muutokseen nopeudessa.

Kvanttioptiikan tutkijat kutsuvat tällaista systeemiä erittäin kvanttimekaaniseksi, koska se näyttää hyvin erilaiselta kuin klassinen systeemi, jossa paikka ja nopeus ovat suunnilleen yhtä epämääräisiä. (Gravitaatioaaltojen havaitsemisessa muuten käytetään fotoneita, joiden todennäköisyys on tällä tavoin puristunut.)

Kosmologit sen sijaan kutsuvat tällaista systeemiä klassiseksi. Tämä johtuu siitä, että kun mitataan kentän arvo, tiedetään myös sen muutosnopeus aika tarkkaan, eli näyttää siltä kuin molemmilla olisi määrätty arvo, kuten klassisessa fysiikassa. Jos mitattaisiin kentän nopeus, tilanne olisi tietysti toinen, mutta kentän nopeudesta ei jää jälkiä galaksien jakaumaan ja mikroaaltotaustaan, toisin kuin sen arvosta.

Kaiken kaikkiaan tulos on turhauttava: kvanttiefektit ovat inflaation aikana merkittäviä, mutta niiden todentaminen on hankalaa.

Ei kuitenkaan tiedetä tarkkaan, miten inflaatio on tapahtunut, ja on esitetty inflaatiomalleja, joissa kentän kvanttiluonteesta jää galaksien jakaumaan ja kosmiseen mikroaaltotaustaan leima. Toistaiseksi nämä mallit ovat melko koukeroisia, eikä niitä ole tarkoitettu realistisiksi, vaan osoittamaan, että on periaatteessa mahdollista mitata rakenteen siementen kvanttiluonne taivaalta, ja ideat kehittyvät koko ajan.

Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten hedelmällisistä tutkimussuunnista löytyy usein yllättäviä yhteyksiä ja tuoreita tuloksia. Inflaatio kehitettiin vuonna 1980 selittämään, miksi maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta kaikissa suunnissa. Tuskin kukaan arvasi, että tähän kysymykseen vastaaminen johtaisi siihen, miten todellisuuden kvanttiluonteen voi mitata taivasta katsoen – ja ehkä myös siihen, miksi maailmankaikkeuden tila nykyään näyttää määrätyltä eikä epämääräiseltä.

---

Ympyrä sulkeutuu

31.3.2020 klo 12.17, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Edellisessä merkinnässä mainitsin tekstistäni, joka käsitteli kauneuden eri ilmenemismuotoja fysiikassa: ilmiöiden kauneutta, tarinoiden kauneutta ja sääntöjen kauneutta. (Aiemmin aiheesta täällä, täällä ja täällä.)

Käsittelemättä jäi eräs seikka, jota joskus kysytään: miksi fysiikan lait tuntuvat kauniilta? Tähän on vähintään yhtä vaikea vastata kuin siihen, miksi maalaukset näyttävät kauniilta, mutta yritän hahmotella yhtä puolta asiasta.

Miksi mitään ylipäänsä pidetään kauniina? Aivomme ovat evoluution myötä kehittyneet merkitsemään tietyt aistimukset miellyttäviksi ja toiset epämiellyttäviksi. Vahvimmat tällaiset leimat annetaan tuntoaistimuksille, mutta ne rajoittuvat yleensä välittömiin kokemuksiin.

Sen sijaan tiettyjen asioiden näkemisen aiheuttama mielihyvä yleistyy hetken tuntemusta kauemmas. Koska näkö on ihmisen merkittävin aisti, hahmotamme esimerkiksi esineiden muotoja ennemmin näkemisen kuin tuntemisen kautta. Näkymiin ja muotoihin liittyvät mielihyvän tunteet yhdistyvät niitä kuvaavan säännönmukaisuuden myötä abstraktimpiin käsitteisiin.

Esimerkiksi ympyrä on kaunis muoto. Ympyrä on kiertosymmetrian ilmentymä: se säilyy samana keskipisteen ympäri kierrettäessä. Niinpä silmin havaittavaan muotoon liittyy avaruutta koskeva muutos. Näön kautta koettu kauneus tarttuu kierron käsitteeseen, joka on konkreettista muotoa yleisempi. Kiertosymmetria perii kauneuden yhdeltä ilmentymältään, ympyrältä.

Olen aiemmin maininnut siirtymän Nikolaus Kopernikuksen ympyräradoista Isaac Newtonin kiertosymmetriseen painovoimalakiin esimerkkinä kehityksestä ilmiöiden kauneudesta lakien kauneuteen. Newtonin gravitaatiolain mukaiset radat eivät kaikki ole kiertosymmetrisiä (planeettojen radat ovat ellipsejä, eivät ympyröitä), mutta sen sijaan gravitaatiolaki on samanlainen joka suunnassa.

Newtonin gravitaatiolaissakin on vielä kyse avaruuden kierroista. Kiertojen kauneus vie kuitenkin avaruutta pidemmälle. Sähkömagnetismin kaunis teoria perustuu siihen, että kaikki säilyy samana, kun fotoneita ja varattuja hiukkasia kuvaavia kenttiä muutetaan tavalla, joka on matemaattisesti samanlainen kuin avaruuden kierto.

Olemme siis lähteneet liikkeelle konkreettisesta ympyrästä, siirtäneet sen kauneuden avaruuden kiertoihin ja päätyneet hahmottamaan ainetta ja valoa kuvaavien kenttien lakeja tämän avaruudesta tutun käsitteen avulla. Ympyrä sulkeutuu, kun ymmärrämme, että maailman ilmiöiden muodot ovat taasen seurausta näistä kenttiä koskevista laeista.

Koska ajattelumme on kehittynyt mallintamaan karkeaa ilmiöiden maailmaa, lähestymme hienoja lakeja niiden karkeista ilmentymistä yleistetyillä käsitteillä.

Monet fysiikan lakien symmetrioista ovat kauempana välittömistä havainnoista kuin kiertosymmetria, ja on paljon kauneutta, jolla ei ole vastinetta havaittavissa muodoissa. Mutta niidenkin matemaattisten rakenteiden ymmärtämiseen käytetään silmillä nähtävien muotojen hahmottamisessa harjaantuneita nystyröitä.

Konkreettisten esineiden käsittelemiseen kehittyneen ajatuskoneistomme valjastamista matemaattisten rakenteiden ymmärtämiseen kutsutaan geometriseksi lähestymistavaksi. Siinä etusijalla ovat tilaan ja kuvalliseen ajatteluun liittyvät käsitteet kuten muodot, koot, suunnat ja etäisyydet. Se täydentää algebralliseksi lähestymistavaksi kutsuttua mallintamista, missä käytetään tinkimättömiä yhtälöitä.

Helposti hahmotettava esimerkki geometrian ja algebran yhteydestä on Metta Savolaisen kuvateos, jonka muodoista ja pinta-aloista voi lukea Pythagoraan lauseen z²=x²+y² todistuksen. Kuva ja yhtälö yhdessä ovat otos geometrian ja algebran välisestä sanakirjasta. Yhtälö z²=x²+y² kuvaa myös ympyrää, jonka säde on z, joten se havainnollistaa myös sitä, miten yhtälöt liittävät erilaisia muotoja toisiinsa.