Kosmokseen kirjoitettua

Spekulaatioista tieteeksi

9.10.2019 klo 01.30, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti tänään, että vuoden 2019 fysiikan Nobelin palkinnosta puolet saa James Peebles ja toisen puolen Michel Mayor ja Didier Queloz. Palkinto myönnetään ”ansioista maailmankaikkeuden kehityksen ja Maapallon paikan kosmoksessa ymmärtämisessä”. Peeblesin osuus annetaan ”teoreettisista löydöistä fysikaalisessa kosmologiassa”, Mayorin ja Quelozin ”auringonkaltaista tähteä kiertävän eksoplaneetan löytämisestä”.

Yleensä fysiikan Nobelin palkinnot annetaan yksittäisestä kokeellisesta tai teoreettisesta edistysaskeleesta, kuten maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen havaitsemisesta, alkeishiukkasten massojen alkuperän ymmärtämisestä, neutriinojen massojen löytämisestä tai törmäävien mustien aukkojen lähettämien gravitaatioaaltojen havaitsemisesta.

Mayorin ja Quelozin nobelinpuolikas sopii tähän kaavaan. Peeblesin kohdalla on sen sijaan kyse ennemmin elämäntyöpalkinnosta: palkinnon perusteluissa tuodaan esille työ usean aiheen parissa, nostamatta yhtä toisten ylitse. Lyhyen perustelun termi ”fysikaalinen kosmologia” kehystää tekstiä: Peeblesiä kuvaillaan avainhenkilöksi kosmologian siirtymässä ”spekulaatioista tieteeksi”. Tämä siirtymä ajoitetaan 1960-luvulle, tarkalleen Peeblesin vuoden 1965 tieteelliseen artikkeliin, jossa hän yhdisti kosmisen mikroaaltotaustan galaksien syntyyn. Myös fyysikko Jakov Zeldovitšin artikkeli samalta vuodelta mainitaan. Perustelujen mukaan näitä kahta artikkelia ”voidaan pitää alkupisteenä fysikaaliselle kosmologialle, missä fysiikan lakeja sovelletaan koko maailmankaikkeuteen”.

Tämä on liioiteltua. Kuten tekstissä mainitaan, koko maailmankaikkeuden käsittelyn yleisen suhteellisuusteorian keinoin aloitti jo Albert Einstein vuonna 1917, ja vuonna 1922 Aleksander Friedmann löysi mallin, jolla maailmankaikkeuden laajenemista kuvataan vielä nykyäänkin. Termillä ”fysikaalinen kosmologia” luultavasti haetaan sitä, että vasta muiden fysiikan haarojen yhdistäminen kosmologiaan teki siitä (ja yleisestä suhteellisuusteoriasta) todella hedelmällisen tieteenalan. Tämäkin kehitys tosin alkoi jo aiemmin: kuten taustamateriaalissa kerrotaan, vuonna 1948 Ralph Alpher, George Gamow ja (ainakin nimensä osalta) Hans Bethe yhdistivät ydinfysiikan ja kosmologian selittääkseen alkuaineiden synnyn.

Tämä ei muuta sitä, että Peebles todella on ollut keskeinen rooli monissa kosmologian tärkeimmissä oivalluksissa. Hän oli ensimmäisten joukossa ennustamassa kosmisen mikroaaltotaustan olemassaolon, selvittämässä kevyiden alkuaineiden syntyä, ja kehittämässä pimeän aineen malleja, joissa on kyse uudesta tuntemattomasta hiukkasesta. Peebles myös nosti nykyään pimeän energian nimellä tunnetun aineen kosmologian keskiöön yli 10 vuotta ennen kiihtyvän laajenemisen havaitsemista (jonka se selittää).

(Tiedeakatemian sekä suurelle yleisölle suunnatussa että tieteellisessä taustamateriaalissa on muuten selitetty väärin se, miten kosmisen mikroaaltotausta epätasaisuuksista voidaan päätellä avaruuden geometria. Edelliseen merkintään liittyen on huvittavaa huomata myös se, että ilmaisua big bang, alkuräjähdys, on käytetty näissä teksteissä eri tavalla: edellisessä termillä viitataan kaiken alkuun ja ja jälkimmäisessä aikakauteen, jolloin aine oli kuumaa ja tiheää.)

Kaikki nämä asiat ovat joko nykykosmologian varmennettuja menestyksiä tai tärkeitä avoimia kysymyksiä. Keskeisistä tutkimusaiheista vain aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan synty ja kosminen inflaatio puuttuvat listasta; ne ovat hiukkasfysiikan puoleista kosmologiaa, ja Peebles on lähestynyt aihetta astrofysiikasta käsin. Peebles kyllä käytti inflaation ennusteita keskeisenä elementtinä pimeää ainetta ja pimeää energiaa koskevassa työssään. Joitakin kutkuttanee se, miten taustamateriaali esittelee (aivan oikein) inflaation muuhun kosmologiaan elimellisesti kytkeytyvänä tärkeänä osana, siitä kun ei ole vielä myönnetty Nobelin palkintoja, joita povataan ja janotaan.

Sattumoisin juuri tänään kurssilla Fysiikkaa runoilijoille sanoin, että pimeästä aineesta ei ole vielä annettu ainuttakaan Nobelin palkintoa, vaikka se havaittiin jo 86 vuotta sitten. Monet olivat toivoneet Vera Rubinille Nobelia pimeään aineeseen liittyvistä havainnoista, mutta hän kuoli 88-vuotiaana vuonna 2016 sitä saamatta.

Peeblesillä on ollut siinä määrin merkittävä rooli pimeän aineen muuttamisessa lähes varmaksi asiaksi, että lausuntoni voi katsoa kumotuksi: pimeä aine on tunnustettu Nobelilla. Taustaselityksissä pimeä aine esitetään jokseenkin varmennettuna tosiseikkana, josta on vain avoinna se, mistä hiukkasista on kyse. Erikseen mainitaan supersymmetriaan liittyvät nynnyt sekä aksionit, ja korostetaan tarvetta löytää pimeän aineen hiukkanen selvyyden saamiseksi.

Palkinto kunnioittaa paitsi Peeblesin monipuolista ja vuosikymmeniä uraa uurtanutta työtä, myös kosmologian kehittymistä rikkaaksi kokonaisuudeksi, jossa palaset ovat loksahtaneet paikoilleen hämmästyttävän saumattomasti. Mahdollisena särönä taustamateriaalissa mainitaan se, miten tällä hetkellä avaruuden avaruuden laajenemisnopeuden määrittäminen eri havainnoista antaa poikkeavia tuloksia, ja uskalletaan luvata että ”fysikaalisella kosmologialla on lisää yllätyksiä varastossa”.

---

Kauneus, portti ja taide

4.10.2019 klo 13.32, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 22.10. kello 18.30 Kirkkonummen komeetan tilaisuudessa aiheesta Kauneus kosmologiassa. Tilaisuuteen on vapaa pääsy.

Puhun sunnuntaina 3.11. kello 15.45 Kauniaisten Uudessa Paviljongissa otsikolla Tiede porttina uuteen maailmaan. Puhe on osa Kauniaisten musiikkijuhlia, joiden teema on uusi maailma. Tiivistelmä on seuraavanlainen: ”Tiede on avannut oven arkitodellisuuden alle sekä ylle levittäytyvään tuntemattomaan maahan.  Se on mullistanut niin kuvamme maailmasta ja ihmisestä kuin niiden monisyisestä suhteesta.” Tilaisuuteen on vapaa pääsy.

Mainittakoon, että avoinna on haku kuukauden taiteilijaresidenssin CERNiin tieteeseen liittyvän taiteen tekemiselle. Haku on avoinna Suomen kansalaisille ja Suomessa pysyvästi asuville. Residenssi kestää kuukauden. Matkat, majoitus ja ruokailu korvataan, ja residenssiin liittyy 5000 Sveitsin frangin apuraha. Englanninkielinen hakuohje on täällä. Haun deadline on 4. marraskuuta 2019.

---

Takaisin alkuun

29.9.2019 klo 19.32, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime kuussa sai lukea niin kotimaisia kuin ulkomaisia otsikoita siitä, miten pimeä aine voi olla alkuräjähdystä vanhempaa. Ajattelin, että en kirjoittaisi tästä mitään, tiedekohujahan tulee ja menee. Mutta kun minulta on toistuvasti kysytty asiasta –varmaankin siksi, että tutkimuksen takana on suomalainen Tommi Tenkanen, joka työskentelee Johns Hopkins -yliopistossa– niin yritän hieman valaista sitä mistä on kyse ja mistä ei ole kyse.

Aiheesta julkaistujen juttujen selkeys oli vaihteleva, kuten odottaa sopii. (Tämä Helsingin Sanomien juttu on paremmasta päästä.) Tavalliseen tapaan harhaanjohtavimmat elementit ovat peräisin tieteellistä artikkelia markkinoivasta lehdistötiedotteesta, eivät toimittajien näpeistä. Tiedotteessa sanotaan, että pimeä aine voi koostua hiukkasista, jotka ovat syntyneet ennen alkuräjähdystä, ja voimme niiden avulla saada tietoa ajasta ennen alkuräjähdystä. Tiedotteen mukaan tutkijat ovat pitkään uskoneet, että pimeä aine on alkuräjähdyksen jäänne, ja silloin sitä olisi monissa tapauksissa jo pitänyt löytyä. Siinä myös kerrotaan, että ajatus siitä, että pimeä aine on ajalta ennen alkuräjähdystä ei ole uusi, mutta tätä ennen kukaan ei ole pystynyt esittämään laskuja, jotka tukisivat ideaa.

Yllä olevasta pieni osa on väärin, mutta oikeastaan kaikki on harhaanjohtavaa. Suurin ongelma on tapa, jolla ilmaisua ”ennen alkuräjähdystä” (”pre-big bang”) on käytetty. Sanaa alkuräjähdys käytetään kahdessa merkityksessä. Sillä on alun perin tarkoitettu kaiken ajan ja avaruuden alkua. Sittemmin jotkut ovat ruvenneet tarkoittamaan sanalla alkuräjähdys kaiken aineen syntyä kosmisen inflaation lopussa, tai vain maailmankaikkeuden laajenemista ja jäähtymistä. Jälkimmäinen käytäntö on omiaan johtamaan ihmisiä harhaan, ja mielestäni sitä kannattaa välttää, vaikka olen itsekin siihen sortunut.

Sekä tieteellisessä artikkelissa että tiedotteessa kyllä todetaan, että ilmaisulla ”ennen alkuräjähdystä” tarkoitetaan kosmisen inflaation aikaa. Miksei siis puhuta suoraan kosmisesta inflaatiosta?

Kun tiedotteessa todetaan, että mallin ennusteiden avulla voidaan saada tietoa ”alkuräjähdystä” edeltävästä ajasta eli inflaatiosta, niin tämä on totta. Muotoilu antaa kuitenkin ymmärtää, että tässä olisi jotain erityistä, vaikka asia on näin kaikissa inflaatiomalleissa, joita on julkaistu satoja kohta neljän vuosikymmenen ajan.

Yksinkertaisimmissa inflaatiomalleissa on yksi kenttä, jonka energiatiheys ajaa avaruuden kiihtyvää laajenemista. Inflaation aikana kvanttivärähtelyt saavat aikaan kupruja kentässä. Inflaation loputtua kenttä hajoaa tavalliseksi aineeksi ja pimeäksi aineeksi, ja nämä perivät kentän epätasaisuudet, joiden ympärille galaksit ja muut rakenteet sitten tiivistyvät.

Tenkasen artikkelissa pimeä aine ei ole peräisin inflaatiota ajavasta kentästä. Sen sijaan siitä vastaa erillinen kenttä, jolla on omat kvanttivärähtelynsä inflaation aikana. Lehdistötiedotteen väite siitä, että tällaista ideaa ei olisi aiemmin toteutettu ei pidä paikkansa.

Ensimmäisen tieteellisen julkaisun, jossa aineen eri osat ovat peräisin inflaation aikaisista eri kentistä, joilla on omat kvanttivärähtelynsä, kirjoitti Silvia Mollerach vuonna 1990. Ensimmäinen yksityiskohtainen kahden kentän mallin sovellus havaittuihin epätasaisuuksiin on Kari Enqvistin ja hänen silloisen jatko-opiskelijansa (ja huonetoverini) Martin Slothin käsialaa vuodelta 2001. Huvittavaa kyllä, Enqvist ja Sloth todella käsittelivät ”pre-big bang”-mallia, jossa säieteorian avulla voidaan jatkaa alkuräjähdyksestä taaksepäin. Tämä Tenkasen käyttämä termi viittaakin fyysikoiden keskuudessa yleensä tällaiseen mahdollisuuteen, ei kosmiseen inflaatioon. Myös ideaa, jossa pimeä aine koostuu erillisestä kentästä on tutkittu paljon. Yksi tunnetuimpia pimeän aineen kandidaatteja, aksionit, on siitä esimerkki (kuten Tenkanen artikkelissa tuo aivan oikein esille).

Mikä Tenkasen tutkimuksessa sitten on uutta? Siinä esitetään ensimmäistä kertaa, että inflaation aikana pimeän aineen kentän tila (ja siten pimeän aineen tiheys) määräytyy klassisen fysiikan ja kvanttivärähtelyjen vaikutusten välisestä tasapainosta. Tämä on kiinnostava ja huomion arvoinen idea. Toteutusta voi arvostella: artikkelissa sovelletaan vain massattomille kentille pätevää kvanttivärähtelyjen laskua kentille, joiden massa alkaa olla merkittävä, ja toisaalta kvanttivärähtelyjen oletetaan sammuvan heti kun kentän massa ylittää tietyn rajan, vaikka todellisuudessa siirtymä on jatkuva. Mutta nämä ovat yksityiskohtia, joista tutkijat voivat keskustella ja julkaista tarkempia analyysejä; on tavallista, että uuden idean ensimmäisessä versiossa tehdään yksinkertaistuksia, joita myöhemmin hiotaan.

Malli ennustaa, että aineen epätasaisuudet ovat pienessä mittakaavassa isompia kuin inflaatiomalleissa yleensä, tavalla jonka voisi todentaa havainnoilla. Tämä on kiinnostavaa. Mutta lehdistötiedote eksyy myös tarinoimaan, että jos pimeä aine olisi sen sijaan ”alkuräjähdyksen jäänne”, niin se olisi pitänyt jo monissa tapauksissa havaita. Kyllä, suurimmassa osassa osassa inflaatiomalleja pimeä aine syntyy inflaation loputtua ja kyllä, monissa pimeän aineen malleissa pimeän aineen hiukkasia olisi jo pitänyt löytyä, mutta näillä kahdella asialla ei ole mitään tekemistä toistensa kanssa.

Tapaus muistuttaa tammikuun uutisointia toisesta maailmankaikkeudesta, jossa aika kulkee taaksepäin. On tehty ihan tavallista kelpo tutkimusta, joka perustuu aiemmin tunnettuihin asioihin ja jossa otetaan pieni askel eteenpäin. Sitten asiasta uutisoidaan tavalla, joka hämärtää paitsi lukijoiden käsitystä siitä, mistä kyseisessä tutkimuksessa on kyse, myös siitä, mitä aiheesta ylipäänsä. Tämä ei ole uutta. Tuntuu siltä, kuin aina saisi palata ensimmäiseen hiukkaskosmologian blogimerkintääni 12 vuotta sitten, joka käsitteli tiedeuutisoinnin ongelmia; esimerkeistä ei ole sittemmin ollut pulaa.

Tutkijoiden ei tulisi laittaa nimeään harhaanjohtaviin tiedotteisiin, eikä toimittajien pitäisi uskoa kaikkea mitä tutkijat (saati yliopistojen PR-osastot) sanovat.

---

Kun kuplat kohtaavat

18.9.2019 klo 19.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yksi kosmologian keskeisiä kysymyksiä on se, miksi ainetta on olemassa. Onnistunein selitys on, että kaikki nykyinen aine syntyi ensimmäisen sekunnin pienen murto-osan aikana, kun kosminen inflaatio (eli avaruuden kiihtyvä laajeneminen) loppui ja sitä ajanut kenttä hajosi hiukkasiksi. Tästä seuraa yksi jatkokysymys: miksi kaikki näkemämme planeetat, galaksit ja muut rakenteet koostuvat aineesta, eivät antiaineesta?

Jos hiukkasella on sähkövaraus (tai johonkin muuhun vuorovaikutukseen liittyvä varaus), on olemassa antihiukkanen, joka on muuten samanlainen, paitsi että sen varaus on vastakkainen. Esimerkiksi negatiivisesti varattua elektronia vastaa positiivisesti varattu positroni. Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne tuhoutuvat eli muuttuvat toisiksi hiukkasiksi, usein enimmäkseen fotoneiksi ja neutriinoiksi.

Suurin osa maailmankaikkeuden aineesta on näkymätöntä eli pimeää ainetta. Ei tiedetä, millaisista hiukkasista pimeä aine koostuu, mutta suosituimmissa malleissa pimeää ainetta ja antiainetta on yhtä paljon. Niinpä hiukkaset ja antihiukkaset varhaisina aikoina tuhoavat toisiaan kiivaasti, kunnes maailmankaikkeuden laajenemisen takia ne eivät enää törmää toisiinsa, ja jäljelle jäänyt pieni osa alkuperäisistä hiukkasista muodostaa nykyisen pimeän aineen. Paikoissa, mihin gravitaation takia kertyy paljon ainetta, kuten galaksien keskustoissa, tuhoutumista voi kuitenkin vielä tapahtua, ja tämän voisi periaatteessa nähdä niistä hohkaavana valona. Kiistattomia havaintoja tästä ei toistaiseksi ole.

Näkyvän aineen kohdalla on toisin. Näkyvä aine koostuu elektroneista, protoneista ja neutroneista. Jos olisi aluksi yhtä paljon elektroneja ja positroneja (sekä protoneita yhtä paljon kuin antiprotoneita, ja neutroneita yhtä paljon kuin antineutroneita), niin näkyvää ainetta olisi jäänyt jäljelle miljardi kertaa vähemmän kuin mitä sitä nyt on. Ero pimeään aineeseen johtuu siitä, että näkyvä aine vuorovaikuttaa voimakkaammin: protonit ja antiprotonit vetävät toisiaan enemmän puoleensa kuin pimeän aineen hiukkaset ja antihiukkaset, joten ne myös tuhoavat toisensa tehokkaammin.

Niinpä jonkin varhaisen maailmankaikkeuden tapahtuman pitää saada aikaan enemmän näkyvää ainetta kuin antiainetta. Kun antiprotonit on kulutettu loppuun, pitää jäädä protoneita yli. Tälle tapahtumalle on annettu nimi baryogeneesi, baryonisen aineen synty. Baryoninen aine tarkoittaa ainetta, joka koostuu kvarkeista, kuten protonit ja neutronit. (Elektronit ovat yleensä sivustakatsojia tässä touhussa.)

Maailmankaikkeuden historiassa tunnetaan yksi tapahtuma, jossa aineen ja antiaineen välinen tasapaino voi järkkyä, nimittäin sähköheikko symmetriarikko. Siinä on kyse Higgsin kentän olomuodon muutoksesta.

Higgsin kenttä täyttää avaruuden ja antaa tunnetuille hiukkasille (paitsi ehkä neutriinoille) massat. Kuten vedessä on raskaampaa kävellä kuin ilmassa, Higgsin kentän läpi on raskasta matkata. Kun maailmankaikkeuden lämpötila on tarpeeksi korkea (miljoona miljardia astetta), Higgsin kenttä kuitenkin sulaa, eikä enää haittaa hiukkasten liikettä. Tai jos tarkastellaan asioita oikein päin ajassa, niin varhaisina aikoina Higgsin kenttä on sula ja sitten jäätyy.

Jäätyminen alkaa eri paikoissa eri hetkinä, joten avaruuteen syntyy kuplia, joiden sisällä kenttä on jäässä ja ulkopuolella se on vielä sula. Kuplat kasvavat ja hiukkaset törmäilevät niiden seiniin. Koska hiukkaset vuorovaikuttavat eri tavalla jäätyneen ja sulan Higgsin kentän kanssa, kuplien seinien tienoilla antiainetta muuttuu aineeksi. Lopulta kuplat kattavat koko avaruuden, eli Higgsin kenttä on jäätynyt kaikkialla, ja jäljelle jää enemmän ainetta kuin antiainetta.

Ideassa on pieni ongelma: jos on olemassa vain tunnetut hiukkaset, Higgsin kentän olomuodon muutoksessa ei synny kuplia. Tapahtuma on silloin kuin kuuman veden tasainen muutos kaasuksi, ilman suurta eroa kahden olomuodon välillä. Asian voi ilmaista myös niin, että jos Higgs on vastuussa aineen ja antiaineen epäsuhdasta, on olemassa uusia hiukkasia, jotka tekevät muutoksesta jyrkemmän. Niiden massat eivät saa olla kovin paljon Higgsin massaa isompia, koska muuten ne eivät merkittävästi vaikuta sen olomuodon muutokseen.

Juuri tällaisten hiukkasten etsiminen on yksi CERNin hiukkaskiihdytin LHC:n pääasiallisia tehtäviä. Toistaiseksi mitään ei ole näkynyt tarkasta syynistä huolimatta. Tämän takia katseet ovat kääntyneet taivaalle.

Kuplien törmäykset eivät vain sekoita aineen ja antiaineen suhdetta, ne myös synnyttävät gravitaatioaaltoja. Kuplien seinissä on paljon energiaa. Niinpä niiden törmäykset ravistelevat avaruutta kovalla kädellä, kuten mustien aukkojen törmäykset nykyään.

Helsingin yliopistolla kollegani Mark Hindmarsh ja David Weir ovat kunnostautuneet näiden törmäysten tarkassa tutkimisessa. He ovat ensimmäisinä maailmassa laskeneet, millaisia gravitaatioaaltoja jyrkässä olomuodon muutoksessa kasvavien kuplien törmäyksissä syntyy. Muutkin kuin fyysikot voivat nauttia heidän elokuvistaan, jotka havainnollistavat laskujen tuloksia. Alla olevassa videossa näkyy kuplien synty, törmäykset ja yhtyminen.

Alla olevassa videossa näytetään, miten kuplien törmäykset synnyttävät gravitaatioaaltoja.

Elokuvasta näkee, että gravitaatioaaltoja syntyy vielä kuplien katoamisen jälkeen aineen velloessa väkivaltaisesti ympäriinsä.

Satelliittikolmikko LISA, joka nousee Aurinkoa kiertävälle radalle 2030-luvun puolivälissä, voi havaita Higgsin kuplista syntyneitä gravitaatioaaltoja. Joku voisi sanoa, että motivaatio niiden etsimiselle on heikko koska LHC ei ole nähnyt mitään.  Toisaalta voi ajatella, että juuri siksi gravitaatioaallot ovat tärkeitä: jos Higgsin kuplien synnyttämiä aaltoja nähdään, ne ovat varma ja ainutlaatuinen merkki uusista hiukkasista ja vuorovaikutuksista.

On myös jännite onnistuneen baryogeneesin ja gravitaatioaaltojen näkemisen välillä. Gravitaatioaallot ovat sitä vahvempia, mitä rajumpia kuplien törmäykset ovat, eli mitä nopeammin niiden seinät liikkuvat. Toisaalta antiaineen ja aineen epäsuhdan kehittyminen vie oman aikansa, joten sen kannalta on parempi, jos seinät liikkuvat hitaasti.

Mutta LISA-koe on rakennettu pääasiassa galaksien keskustoissa lymyävien mustien aukkojen muodostumista ja muita myöhäisen maailmankaikkeuden tapahtumia silmällä pitäen, Higgsin kentän mahdollisia kuplia tulee etsittyä samaan hintaan.

Jos Higgs on vastuussa siitä, että ainetta on enemmän kuin antiainetta, se olisi sille yksi tehtävä lisää, hiukkasten massojen ja ehkä kosmisen inflaation lisäksi. Jos Higgs ei pysty hommaa hoitamaan, niin hiukkaskosmologit ovat keksineet muitakin keinoja, kuten steriilien neutriinoiden muuttumisen toisikseen, josta ehkä toiste enemmän. Se, että gravitaatioaallot saattavat kertoa asian laidan osoittaa, miten hiukkasfysiikka ja kosmologia ovat toisiinsa kietoutuneita.

Päivitys (20/09/19): Lisätty sanat ”kolmiulotteisilla simulaatioilla”.

---

Miksei kukaan ymmärrä

28.8.2019 klo 19.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Luin Tanya Bubin ja Jeffrey Bubin sarjakuvan Totally Random: Why Nobody Understands Quantum Mechanics (A Serious Comic on Entanglement). Sen tarkoitus on selittää, mitä on kvanttimekaniikan lomittuminen (entanglement).

Lomittumisessa on karkeasti sanottuna kyse siitä, että järjestelmän eri osat ovat kytköksissä toisiinsa, olipa niiden etäisyys miten iso tahansa. Heti alkuun kirjoittajat siteeraavat kvanttimekaniikan erään kehittäjän Erwin Schrödingerin sanoja: ”En kutsuisi sitä kvanttimekaniikan yhdeksi vaan keskeiseksi piirteeksi, mistä seuraa tämän koko poikkeama klassisesta ajattelutavasta.”

Schrödingerin kuuluisa ajatuskoe laatikkoon suljetusta kissasta perustuu lomittumiseen, ja sen tarkoitus oli osoittaa, miten kvanttimekaniikka on vaillinainen, koska se johtaa niin kummallisiin johtopäätöksiin. Myös Albert Einstein, kvanttimekaniikan kehittäjiä hänkin, havainnollisti lomittumisen avulla sitä, että kvanttimekaniikkaa pitäisi muuttaa, koska se johtaa niin isoon ristiriitaan arkiajattelun (ja, Einstein luuli, suhteellisuusteorian) kanssa. Nykyään monet pitävät lomittumista avaimena siihen, miksi maailma näyttää arkiselta.

Ensimmäisessä osassa kerrotaan mitä lomittuminen on ja miten sen voi todentaa Bellin epäyhtälön avulla. Tämä on vaikea aihe, mutta se on käyty läpi selkeästi ja tinkimättä, olennaiseen keskittyen.

Toisessa osassa kvanttimekaniikan merkkimiehet (”ilmeisesti ajalta ennen naisten olemassaoloa”, kuten toinen kertojista toteaa) esittelevät näkemyksiään siitä, mitä lomittumisesta pitäisi päätellä kvanttimekaniikasta ja todellisuudesta. Schrödinger tekee selityskotikäyntejä apurikissansa kanssa, monimaailmatulkinnan kehittäjä Hugh Everett on showmies, joka lupaa paljon ja antaa lähinnä selityksiä sitä, miksi asiakas ei näytä saavan mitään. Epäilevä Einstein ja deterministisen kvanttimekaniikan laajennuksen kehittänyt David Bohm istuvat terapiassa, missä tohtori Niels Bohr yrittää saada heidät hyväksymään, että kvanttimekaniikan takana ei ole mitään todellisuutta. Kuten Bohr aikoinaan lausui: ”On väärin ajatella, että fysiikan tehtävänä olisi selvittää, millainen maailma on. Fysiikka käsittelee sitä, mitä voimme sanoa maailmasta.”

Osa dialogista koostuu henkilöiden kuuluisista lausumista tai kirjoittamista, mikä tekee siitä hieman kömpelöä. Kokonaisuus on isompi ja vaikeammin hahmotettava kuin ensimmäisessä osassa, mutta juttu kulkee, ja tyyli on epämuodollinen.

Kolmannessa osassa palataan ihmisten mielipiteistä epäinhimillisen kvanttimekaniikan saloihin. Kryptaan sijoitettu kvanttikryptografia on havainnollistettu mieleenpainuvasti. Kvanttiteleportaatio, joka herättää usein hämmennystä, on selitetty kirkkaasti. Lomittumisen käyttöä tiedonvälityksessä on havainnollistettu kvanttikasinolla, mutta tässä tapauksessa aiheen lähestyttäväksi tekevä vertaus vie tilaa ymmärrykseltä: epäselväksi jää, mikä on esitellyn ilmiön todellisen merkitys, koska uhkapeleistä tuskin on kyse.

Tanya ja Jeffrey ovat tytär ja isä, ja osa sarjakuvasta on lisäksi heidän alter egojensa kiistelyä kvanttimekaniikasta ja sen esittämisestä sarjakuvassa. Näiden osuuksien huumorin viehätys on varmaan lukijakohtaista. Kerrontaa on sävytetty ilmeisimmillä mahdollisilla populaarikulttuuriviitteillä Star Warsista Star Trekkiin.

Tanya on verkkosivuja tekevän yrityksen perustaja, Jeffrey on fysiikan filosofi, jonka erikoisala on kvanttimekaniikan ja informaatioteorian risteyksessä. Ei olisi ollut pahitteeksi, jos sarjakuvan tekemiseen olisi otettu mukaan sarjakuvantekijä. Sivujen yleinen ilme on ikävän mustanharmaa, ja kuvallinen kerrontaa on usein sekä korutonta että sekavaa.

Verrattuna vaikkapa Feynman-sarjakuvaan, jossa on haukattu iso pala elämänkertaa ja fysiikan selittämistä, Totally Random on tiukasti rajattu esitys. Kerronta ei rönsyile, ja sarjakuva on helppolukuinen ja ainakin ensimmäisessä ja kolmannessa osassa asiat käydään läpi tarkkuudesta tinkimättä. Tämän sarjakuvan lukeminen saattaa olla helpoin tapa ymmärtää, mistä lomittumisessa on kyse.

Kädestä käteen

14.8.2019 klo 15.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Luin hiukkasfyysikko Mikhail Shifmanin toimittaman kirjan Under the Spell of Landau: When Theoretical Physics was Shaping Destinies. Se on kokoelma fyysikoiden muisteloita Lev Landausta, hänen kollegoistaan ja tieteellisistä jälkeläisistään ja heidän tekemästään fysiikasta.

Vuonna 1908 syntynyt Landau on monella tapaa kuin Neuvostoliiton Richard Feynman, mutta länsimaissa paljon vähemmän tunnettu. Tänä vuonna tosin tuli julki ohjaaja Ilja Hržanovskin Landauta käsittelevä tai käyttävä suureellinen ja kiehtova taideprojekti DAU (lisää siitä täällä ja täällä).

Kuten Feynman, Landau oli harvinaislaatuisen taitava ja omapäinen fyysikko, joka monella tapaa määritti 1900-luvun keskivaiheen fysiikkaa. Landau oli Niels Bohrin oppilas ja harmitteli syntyneensä liian myöhään osallistuakseen kvanttimekaniikan kehittämiseen modernin fysiikan alkutaipaleella, mutta hän oli seuraavan sukupolven kärkinimiä. Landaulle annettiin vuonna 1962 Nobelin palkinto ”uraauurtavista kiinteän olomuodon teorioista, erityisesti nestemäisestä heliumista”, mutta –kuten Feynmanin tapauksessa– se kattaa vain murto-osan hänen ensiluokkaisista saavutuksistaan.

Feynmanin lailla Landau muistetaan tutkijan lisäksi opettajana. Landaun ja hänen oppilaansa Jevgenij Lifšitsin kymmenosainen kirjasarja Course of Theoretical Physics, joka kattoi aikansa teoreettisen fysiikan jokseenkin kaikki alueet, on legendaarinen siinä missä Feynman Lectures on Physics. Aloittelevana yliopisto-opiskelijana minua neuvottiin, että ”kannattaa lukea Landau & Lifshitziä; siitä joko ymmärtää jotain tai sitten ei”.

Landau, enemmän kuin Feynman, myös loi tutkimusryhmiä ja kehitti aikansa tieteellistä kulttuuria. Vuonna 1932 Landau aloitti Harkovan yliopiston teoreettisen fysiikan laitoksen johtajana Ukrainassa, mutta siirtyi vuonna 1937 Moskovan fysikaalisten ongelmien instituutin teoreettisen osastoon. Landaun johdolla siitä tuli yksi maailman parhaita teoreettisen fysiikan tutkimuskeskuksia.

Pelkästään pääsykoe Landaun oppilaaksi on legendaarinen. Se oli nimeltään ”teoreettinen minimi”, ja koostui yhdeksästä fysiikan ja kahdesta matematiikan kokeesta. Kunkin kokeen tekeminen kesti noin tunnin, mutta niihin valmistautumisessa saattoi mennä vuosia. Landau oli tekemisissä vain sellaisten opiskelijoiden kanssa, jotka läpäisivät kokeen. Landaun aikana vain 43 henkilöä suoritti ”teoreettisen minimin”, ja heistä tulikin tunnettuja tutkijoita.

Korkeita standardeja oli mahdollista ylläpitää, koska fyysikoksi haluavia teräviä nuoria riitti. Neuvostoliitossa (kuten Yhdysvalloissa) panostettiin toisen maailmansodan jälkeen fysiikan perustutkimukseen, joka oli osoittanut valtavan sotilaallisen ja taloudellisen merkityksensä. Niinpä teoreettista perustutkimusta rahoitettiin avokätisesti, ja fyysikkona oleminen oli arvostettua.

Muisteloiden perusteella Neuvostoliitossa vaikuttaa olleen enemmän naisia fyysikkoina kuin länsimaissa, oletettavasti kommunistiseen ideologiaan kuuluvan sukupuolten tasa-arvon ihanteen takia. He olivat silti selvä vähemmistö, ja sopii miettiä, miten Landaun asenne ylläpiti tätä: Shifmanin mukaan Landau arvosti naisia vain sen perusteella, miten seksuaalisesti viehättävinä hän heitä piti. Tämä seksismi sekin muistuttaa Feynmanista.

Pari kirjoittajaa mainitsee kuinka fysiikka tarjosi pakoreitin totalitaristisen järjestelmän sorrosta ja ideologisista vääristymistä. Neuvostoyhteiskunta oli valheiden läpitunkema, ja etenkin Josef Stalinin aikaan totuuden puhumisella oli vakavat seuraukset, mutta fysiikassa totuuden tavoittelu ei ollut vain sallittua, vaan vaadittua ja palkittua. (Shifman mainitsee musiikin samanlaisena väylänä omaan neuvostoideologialta osin suojattuun yhteisöön.)

Shifman esittää, että Landaun rohkaisema tapa arvostella ideoita rehellisesti ja ankarasti statukseen katsomatta saattoi osittain olla vastareaktio siihen, että yhteiskunnassa se ei ollut mahdollista. Tämä asenne näkyi Landaun isännöimissä seminaareissa, joiden tyyli tunnetaan nykyään ympäri maailmaa ”venäläisenä seminaarina”. Seminaarissa puhujalla oli vastuu selittää kaikki yksityiskohdat mitä yleisö halusi tietää ja vastata kaikkeen kritiikkiin. Seminaari jatkui kunnes asiasta oli päästy selvyyteen, vaikka se veisi kahdeksan tuntia. Oli tavallista, että yleisössä istuvat ryntäsivät taululle ja kiistelivät keskenään (joskus sattui niinkin, että puhuja itse poistui salista). Seminaarissa pistettiin Landau itsekin niin koville, että hän kerran otti yleisön jäsenen tieteellisen artikkelin kanssakirjoittajaksi, kun ei pystynyt vastaamaan tämän esittämään arvosteluun.

Avointen instituuttien vastakohtana oli kahdenlaisia suljettuja tutkimuslaitoksia, yksi korkealla yhteiskunnan hierarkiassa ja toinen lähellä pohjaa: valtion salaiset asetutkimusinstituutit ja vankileirien tutkimusosastot. Kumpaankaan ei haluttu. Landau vältti vankileirin, mutta joutui sekä vankilaan että ydinaseiden tutkimuslaitokseen.

Vuonna 1938 KGB pidätti Landaun syytettynä vastavallankumouksellisesta toiminnasta. Syytteeseen kuului muun muassa osallistuminen vappuparaatissa jaettavaksi tarkoitetun lentolehtisen tekemiseen. Lehtisessä syytettiin Stalinia lokakuun vallankumouksen aatteen pettämisestä, sosialismin vihaamisesta, fasistisesta vallankaappauksesta ja maan heikentämisestä siinä määrin, että siitä tulee helppo saalis saksalaiselle fasismille. Joidenkin tuttujen mukaan koko tarina (kuten monet tuon ajan ”tunnustukset”) oli KGB:n sepitelmää, koska Landau olisi ymmärtänyt, että lehtisellä ei saavuta mitään. Toiset ovat sitä mieltä, että lehtisen tarkkanäköisyys ja selkeys todistaa Landaun osallisuudesta. Jos näin on, Landau eroaa tässä Feynmanista, joka ei koskaan käyttänyt verrattoman paljon suurempaa vapauttaan protestoidakseen maansa ihmisoikeusloukkauksia.

Landaun vapautumisesta on siitäkin tullut osa legendaa. Arvostettu fyysikko Pjotr Kapitsa kirjoitti pääministeri Vjatšeslav Molotoville, että vain Landau voi selittää modernin fysiikan ytimessä vasta tehdyt havainnot. Landau vapautettiin, ja muutamassa kuukaudessa hän tosiaankin kehitti suprajuoksevuuden teorian, mistä hänelle sittemmin annettiin Nobelin palkinto.

Kuten Feynman, Landau osallistui joukkotuhoaseohjelmaan salaisessa tutkimuslaitoksessa, ja hänellä oli fuusiopommin kehittämisessä tärkeä rooli. Stalinin kuoleman jälkeen Landau lopetti työn ydinaseiden parissa. Feynmankaan (toisin kuin esimerkiksi kollegansa Murray Gell-Mann) ei Manhattan-projektin jälkeen enää tehnyt yhteistyötä armeijan kanssa.

Shifmanin kirja yhdistää henkilökohtaisia muistoja tieteellisiin selityksiin. Niistä näkyy se, miten keskeistä ydinasetutkimus oli toisen maailmansodan jälkeisen teoreettisen fysiikan kehitykselle. Neuvostoliitossa asiaan liittyi omanlaisensa käänne. Stalinin hallinto käynnisti ”kosmopolitanismin vastaisen kamppailun”, suomeksi sanottuna juutalaisvainot. Monet johtavat teoreettiset fyysikot, Landau mukaan lukien, olivat juutalaistaustaisia, mutta pelastuivat ydinaseohjelman hyödyn takia. Tarinan mukaan ydinaseohjelman johtaja Igor Kurtšatov kysyi Stalinilta, haluaako tämä murskata ”porvarillisen idealismin ja kosmopolitanismin” vai saada ydinpommin valmiiksi aikataulussa. Fysiikan hyödyllisyys asetuotannossa myös suojasi sitä kommunistisen puolueen innolta pakottaa tiede ”marxilais-leninistisen materialismin” harhateille, minne ihmistieteitä ja biologiaa ajettiin.

Stalinin kuoleman jälkeenkin pelkkä juutalaiselta vaikuttava sukunimi riitti syyksi evätä työpaikka tai matkustuslupa. Kirjan muistelmista välittyy vahvasti se, miten teoreettiset fyysikot muodostivat epäoikeudenmukaisen yhteiskunnan keskellä perheen, jonka jäsenet tukivat toisiaan. Tosin kirja tarjoaa valikoidun kuvan, koska Shifman on poiminut kirjoittajat, ja he ovat kaikki sisäpiirissä menestyneitä. Niiden, jotka jäivät ulkopuolelle tai eivät pärjänneet, ääni ei ole mukana. Shifman vertaa tätä yhteishenkeä nykyisiin yliopistoihin, missä paikat ovat lyhytaikaisia ja ihmiset tulevat ja menevät.

Kirjoittajien moninaiset teoreettisen fysiikan alat muistuttavat, että Landau työskenteli ennen teoreettisen fysiikan erikoistumista kapeisiin aloihin: hän tutki ydinfysiikkaa, hiukkasfysiikkaa, astrofysiikkaa, kvanttimekaniikkaa, magnetismia, tilastollista fysiikkaa, atomifysiikkaa, nesteiden ja kaasujen fysiikkaa ja kiinteän olomuodon fysiikkaa. Siirtyminen aiheesta toiseen oli nykyistä helpompaa myös siksi, että ei tarvinnut tehdä apurahahakemuksia, missä pitää etukäteen perustella, miksi uudesta aiheesta voi tulla läpimurto ja mitä tuloksia saadaan.

Toinen ero nykypäivään on se, että Landaun koulukunnassa suhtauduttiin torjuvasti spekulaatioihin, jotka olivat liian kaukana tunnetusta fysiikasta ja korostettiin yhteyttä havaintoihin. Nykyään teoreettisessa hiukkasfysiikassa ja kosmologiassa on villejä ehdotuksia turhankin paljon, mutta vahvat linjanvedot asioiden sulkemiseksi pois eivät ole ongelmattomia nekään.

Kosmologiassa siteerataan usein Landaun lentävää lausetta (hän puhui astrofyysikoista, mutta astrofysiikka ja kosmologia eivät olleet tuolloin vielä eriytyneet): he ovat usein väärässä, mutta eivät koskaan epäröi. Tämä pätee yhtä lailla Landauhun. Kun hän oli päättänyt, että jokin idea ei toimi, sitä ei hänen laitoksessaan sopinut ottaa vakavasti. Tämä varmasti auttoi suuntaamaan tutkimusta hedelmällisille reiteille, mutta vahvojen johtajien ongelma on se, että hekin ovat joskus väärässä.

Landaun tunnetuin virhe koski kvanttielektrodynamiikkaa (QED). QED on vuonna 1948 kehitetty ensimmäinen kvanttikenttäteoria, ja se käsittelee elektronien ja fotonien vuorovaikutusta. Vuonna 1954 Aleksei Abrikosov, Isaak Khalatnikov ja Landau osoittivat, että elektronin mitattu varaus on sitä isompi mitä korkeammilla energioilla sitä luodataan. Tarpeeksi korkealla energialla varaus kasvaa äärettömäksi ja teoria on ristiriitainen. Ainoa ratkaisu on se, että varaus on alusta alkaen nolla, eli kentät eivät vuorovaikuta. Tästä Landau päätteli, että mitkään kvanttikenttäteoriat eivät kuvaa todellisuutta.

Lasku oli oikein, mutta johtopäätös väärin. Vuonna 1973 David Gross, Frank Wilczek ja David Politzer osoittivat, että kvarkkeja ja gluoneja kuvaavassa vahvan vuorovaikutuksen teoriassa (QCD) varaus pienenee energian kasvaessa, jolloin ongelmaa ei ole. Kauan ennen kuin saavutaan energioille, joilla QED:n ongelmat näkyvät, se pitää korvata hiukkasfysiikan Standardimallilla, johon myös QCD kuuluu, ja joka oletettavasti on osa jotain ristiriidatonta teoriaa. QED:n ongelmat ovat sen pätevyysalueen ulkopuolella.

Itse asiassa Landau oli ensin tehnyt merkkivirheen ja luuli, että QED:ssäkin varaus pienenee energian kasvaessa, joten hän tiesi tämän mahdollisuuden, mutta oli vakuuttunut, että se ei toteudu missään kvanttikenttäteoriassa. Yksi kirjassa muisteltavista fyysikoista, Aleksei Anselm, tosin esitti vuonna 1959 vastaesimerkin Landaun johtopäätökselle rakentamalla kvanttikenttäteorian, jossa varaus heikkenee energian kasvaessa, kuten QCD:ssä. Teoria kuvasi kaksiulotteista maailmaa, joten se sivuutettiin epäoleellisena todellisen maailman kannalta.

Neuvostoliitossa ei myöskään otettu hiukkasfysiikan Higgsin mekanismia vakavasti. Kvanttikenttäteoria ja Higgsin mekanismi osoittautuivat avaimiksi hiukkasfysiikan Standardimalliin, joka tarjosi kattavan selityksen vuosikymmeniä tutkituille ydinfysiikan, heikkojen ja vahvojen vuorovaikutusten ilmiöille. Niinpä siihen liittyvät ratkaisevat läpimurrot tehtiin lopulta länsimaissa. Tiedettä haittasi Neuvostoliitossa myös totalitaristinen järjestelmä, joka rajoitti tutkijoiden matkustamista ja tiedonsaantia.

Vuonna 1962 Landaun auto törmäsi rekkaan. Laundaun aivot vaurioituvat, eikä hän koskaan toipunut entiselleen. Landau kuoli vuonna 1968, mutta hänen koulukuntansa jatkoi teoreettisen fysiikan kärjessä. Sen pysäytti vasta Neuvostoliiton hajoaminen. Yhteiskunnan romahtaessa bruttokansantuote laski enemmän kuin toisen maailmansodan aikana ja köyhyys kasvoi ennätysvauhtia. Yksi kirjoittajista kuvailee romahduksen aikaa ”ennemmin henkiinjäämisenä kuin elämänä”. Monet fyysikot kuolivat tai lähtivät pois. Yksi kirjoittaja kertoo miten tutkimuslaitoksissa ”kaapelit tippuivat katosta ja maali seiniltä”.

Landaun koulukunnan perintö kuitenkin levisi laajalle entisen Neuvostoliiton alueelta muuttaneiden fyysikoiden mukana. Sen vaalima periksi antamaton ja romanttinen kuva fysiikasta nivoutuu hyvin yhteen Feynmanin ja muiden tunnettujen tieteilijöiden tunnetuksi tekemien käsitysten kanssa. Shifman kirjoittaa:

Teoreettinen fysiikka, kuten olympiasoihtu, kulkee kädestä käteen. Se ymmärrys, että teoreettisessa fysiikassa on kyse syvän intuition kehittämisestä tutkimusaiheestasi, päivä toisensa jälkeen, siinä määrin että näet sen unissasi yöllä ja sitten, aivan yllättäen, etsimäsi vastaus nousee mieleesi, aluksi hämärästi, summittaisessa muodossa, ennen kuin varsinaista laskua on tehty – tämä ymmärrys kulkee kädestä käteen.

Taas fysiikkaa runoilijoille

5.8.2019 klo 17.13, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luennoin tänä syksynä Helsingin yliopistolla toista kertaa kurssin Fysiikkaa runoilijoille. Tarjolla on on opastettu retki fysiikan maailmaan.

Luennot ovat maanantaisin ja tiistaisin kello 12.15-14.00. Ensimmäinen luento on 3.9. ja viimeinen 15.10.. Tarkempia tietoja kurssista löytyy sen kotisivulta. Kirjoitin vuoden 2016 vedoksesta hieman tässä blogimerkinnässä, sen sisältöä voi tiirailla täällä.

Kyseessä on humanistisen tiedekunnan kurssi, jonka 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. Tämä ei ole tieteen historian eikä filosofian kurssi, vaikka niitä vähän käsitelläänkin, vaan fyysikon kuvaus fysiikan teorioiden kehityksestä ja sisällöstä.

Kurssi on suunnattu heille, jotka eivät ole luonnontieteilijöitä eivätkä matemaatikkoja. (Vaikka hekin ovat tervetulleita, ja etenkin aloitteleville fysiikan opiskelijoille se saattaa olla kiinnostava.) Kurssi ei edellytä esitietoja fysiikasta eikä sisällä laskemista.

Luentoja voi tulla kuuntelemaan vaikka ei olisikaan yliopiston opiskelija tai suorittaisi kurssia. Sanaa sopii levittää asiasta mahdollisesti kiinnostuneille.

Päivitys 1 (19/08/19): Tiistain luentojen kellonaika korjattu.

Päivitys 2 (21/08/19): Tiistain luentojen kellonaika korjattu takaisin.

---

Kauneus, pikatreffit, unelmat, rohkeus ja rajallisuus

15.7.2019 klo 15.19, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Juttelen torstaina 25.7. kello 15-16 Espan lavalla kauneudesta. Tilaisuus on osa Ylen Radio 1:n Kulttuuriykkösen kesäfestaria.

Vastailen lauantaina 3.8. kello 11-13 keskustakirjasto Oodin Maijansalissa ”uteliaiden pikatreffeillä” kaikenlaisiin kysymyksiin. Paikalle voi tulla kysymään mitä tahansa fysiikkaan liittyviä asioita. Päivystämässä on ”maailmankaikkeustietäjän” lisäksi myös muiden alojen asiantuntijoita. Tapahtuma on osa Pointti-kaupunkifestivaalia.

Keskustelen tiistaina 13.8. kello 19.30 alkaen Cafe Mascotissa avaruudesta ja siihen liittyvistä unelmista astrobiologi Kirsi Lehdon, Ilmatieteen laitoksen tutkija Pekka Janhusen, Ursan tiedottaja Anne Liljeströmin ja myöhemmin nimitettävän avaruusantropologin kanssa. Paneeli on osa LongPlayn iltamaa, jossa esiintyvät Tuula Amberla ja Tero-Petri.

Puhun lauantaina 24.8. kello 13.00-13.45 Kuopion tieteen päivillä otsikolla ”Rohkeus ja rakenteet – miksi on turhaa etsiä seuraavaa Einsteinia”. Puhe on osa Kuopio juhlii -tapahtumaa. Luvassa yleisen suhteellisuusteorian ja kosmologian historiaa ja huomioita tieteen edistämisestä. Tiivistelmä täällä (Kuopion esitys tosin on laveampi, ja ehkä eri tavalla painotettu.). Minua haastateltiin aiheen tiimoilta Helsingin tieteen päivien yhteydessä.

Osallistun keskiviikkona 28.8. kello 14.00-14.45 Tieteiden talon salissa 104 paneeliin aiheesta ”Fysiikan lakien rajallisuus”. Muina panelisteina ovat kosmologi Kari Enqvist ja matemaatikko Pauliina Ilmonen. Puheenjohtajana on Katja Bargum. Paneeli on osa tapahtumaa TIETOKIRJA.FI. Koko ohjelma on täällä, paikalla on kiinnostavia keskustelijoita.

Päivitys (15/07/19): Lisätty Kuopion Tieteen päivien puhe.

Yhteiskunnallista vaikuttamista

25.6.2019 klo 15.25, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Tieteilijän työhön kuuluu tutkimuksen lisäksi kaikenlaista muuta, kuten luentojen valmistelu ja pitäminen, tenttien laatiminen ja korjaaminen, kandintöiden, gradujen ja väitöskirjojen ohjaaminen, tutkimusryhmän rakentaminen, rahan hakeminen opiskelijoille ja laajemmalle tutkimusryhmälle, projektien hallinta, konferenssien ja muiden tilaisuuksien järjestäminen, tieteellisten artikkeleiden ja rahahakemusten vertaisarviointi, haastattelujen antaminen ja niin edelleen.

Helsingin yliopiston virallisesti määrätyn työajan puitteissa on mahdotonta hoitaa kaikkia näitä tehtäviä kunnolla. Niinpä yliopisto ohjaa tutkijoita valehtelemaan ajankäytöstään, koska valvontajärjestelmään ei saa merkitä työskentelevänsä määrättyjä tunteja enemmän. Toisaalta joistain velvollisuuksista luistetaan, etenkin kun uusia tehtäviä lisätään vanhojen päälle, uusimpana tieteen popularisoiminen.

Tiedeyhteisöllä on velvollisuus kertoa tieteen tuloksista ja menetelmistä pääasialliselle rahoittajalleen – eli kansalaisille, joiden maksamista veroista tutkimus enimmäkseen kustannetaan. On sitten eri asia, onko mielekästä vaatia tätä jokaiselta tieteilijältä.

Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta on mennyt tässä outoon suuntaan. Helsingin yliopiston Flamma-viestintäsivustolla kannustetaan tutkijoita kirjoittamaan Otavamedian omistaman Tekniikan Maailman uuteen Tutkijalta-osioon artikkeleita ilmaiseksi. (Helsingin yliopiston avoimuuskäytännön mukaisesti juttu näkyy vain yliopistolaisille.)

Kirjoitin asiasta vastaaville tiedekunnan viestinnän asiantuntijoille, että mielestäni ei ole hyvä opastaa tutkijoita tekemään palkatonta työtä, etenkään kaupallisille toimijoille. He perustelivat kehotusta muun muassa sillä, että Tekniikan Maailma auttaa kirjoittajia työstämään teksteistä julkaisukelpoisia. Vastauksessa myös rinnastettiin kaupalliseen lehteen kirjoittamisen siihen, että myös lehdistötiedotteita ja blogeja kirjoitetaan ilmaiseksi. Tämä on omituinen argumentti, koska tiedotteita kirjoittavat yliopiston tiedottajat, joille maksetaan. On myös ongelmallista, että blogi esitetään sellaisena julkaisumuotona, johon kirjoittamisesta ei makseta. Se ei ole lähtökohtaisesti totta. Jotkut tietysti pitävät blogeja ilmaiseksi erilaisilla alustoilla, mutta ilmaisiin blogeihin saa kirjoittaa mistä tahansa aiheesta niin pitkästi tai lyhyesti kuin haluaa siten kuin haluaa. Lehtiartikkeleihin tämä ei tietenkään päde.

Lisäksi viestinnän asiantuntijat perustelivat palkatonta työtä sillä, että ”monet rahoittajat edellyttävät tulosten laajaa julkaisua ja yhteiskunnallista vaikuttavuutta” ja sillä, että juttujen julkaiseminen parantaa yliopiston julkisuuskuvaa.

Ei siis riitä, että tutkijan pitää hakea ulkoisilta toimijoilta rahaa yliopiston perustoimintoihin (kuten jatko-opiskelijoiden palkkaan). Nyt kerrotaan vielä, että rahoittajien vaatimusten toteuttamiseksi tutkijoiden olisi hyvä tehdä ilmaiseksi töitä kaupallisille tahoille.

On ymmärrettävää, että kaupallinen lehti ei halua maksaa kirjoittajille palkkioita – mikäpä yritys ei mielellään leikkaisi kuluja. Mutta miksi Helsingin yliopisto haluaa tutkijoiden kirjoittavan ilmaiseksi yritykselle, jolla ei ole yliopiston kanssa mitään tekemistä?

Jos kirjoitustyö tehdään muun työn lisäksi, kyseessä on palkaton työ. Jos ajatuksena sen sijaan on, että tutkija karsii muusta työstä, niin silloin Helsingin yliopisto tukee rahallisesti Tekniikan Maailmaa (sikäli kun tutkija on yliopiston palkkalistoilla). Eikö yliopiston sitten pitäisi johdonmukaisuuden vuoksi kehottaa tutkijoita kirjoittamaan ilmaiseksi kaikkiin muihinkin kaupallisiin julkaisuihin? Ja eikö, samaa linjaa noudattaen, tutkijoiden olisi hyvä pitää ilmaiseksi yleisöluentoja maksullisissa tilaisuuksissa, joista yritykset käärivät voitot, koska siten tutkija vaikuttaa yhteiskuntaan ja yliopisto saa positiivista julkisuutta?

Kysymys ilmaisesta työstä ei rajoitu tieteilijöihin, siitä käydään taiteen ja kulttuurin alalla vilkasta keskustelua. Olen itse kirjoittanut ilman eri palkkiota ja puhunut ilmaiseksi tilaisuuksissa, kun kyse on pienistä ei-kaupallisista toimijoista, kuten tähtitieteellisistä yhdistyksistä ja pienlehdistä. (Tarkemmin sanottuna en ole pyytänyt korvausta, mutta en ole aina myöskään kieltäytynyt, jos sellaista on tarjottu.) Samoin olen konsultoinut ilmaiseksi (ja kerran esiintynyt näytelmässä) joillekin teattereille, kirjailijoille tai muille pienille toimijoille, jotka ovat halunneet käyttää fysiikkaa taiteessa. Tällainen yhteistyö ja avunanto on mielestäni popularisointia tekeville tutkijoille oikein sopivaa.

Kaupalliset toimijat ja isot julkiset tahot ovat sitten oma lukunsa. Oma rajani menee suunnilleen siinä, että vastailen ilmaiseksi Helsingin Sanomien Lasten tiedekysymykset -palstan kysymyksiin. Artikkelien kirjoittamiseen menevä aika ja vaiva on kuitenkin toista luokkaa kuin lyhyen vastauksen raapustaminen, vaikka en niidenkään kanssa ole aina ollut johdonmukainen.

Tieteentekijöiden liiton mukaan ”osaamistaan ei kannata myydä polkuhintaan tai korvauksetta: kunnon palkkion pyytäminen edistää myös muiden keikka- ja freelance-työntekijöiden asemaa”. Liitolla on palkkiosuositukset, joiden yhteydessä kehotetaan ottamaan huomioon työn tilaaja: ”pieniä kyläyhdistyksiä ei voi laskuttaa samalla tavoin kuin vaikkapa kansainvälistä suuryritystä”. Oman ammattiliittoni Pron sivuilla ei ole mainintaa korvauksettomasta työstä, kenties siksi, että suurin osa sen jäsenistä ei ole akateemisen maailman tutkijoita eikä kulttuuriväkeä, eikä heille tulisi mieleen tehdä töitä ilmaiseksi.

Suotavaa olisi, että Helsingin yliopistokin puolustaisi tutkijoiden oikeutta korvaukseen tekemästään työstä sen sijaan, että se myötävaikuttaa sellaisen yhteiskunnan rakentamiseen, missä ihmisten odotetaan tekevän kaupallisille tahoille työtä palkatta.

Huonoin idea ikinä

14.6.2019 klo 22.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kesä on konferenssien aikaa: kun ei ole luentoja, voi matkustaa ja kiriä tutkimusta. Kirjoitin edellisessä merkinnässä Helsingin Higgs-konferenssista, nyt on vuorossa Jyväskylän viime viikon inflaatiokonferenssi. Helsingin kohdalla kirjoitin puheiden sisällöstä, nyt keskityn siihen, miten konferenssien puuhastelu ruokkii ajattelua.

Helsingissä puheet kestivät 15-25 minuuttia kukin, ja niitä oli aamuyhdeksästä jonnekin kello viiden tuonne puolen. Lyhyiden lounas- ja kahvitaukojen kanssa tämä tekee noin 15 puhetta päivässä, joita ei kaikkia oikein jaksa tarkkaan seurata, etenkin kun jotkut aiheet ovat vieraita.

Jyväskylän konferenssin –tai työpajan, kuten pienemmän puoleisia tapaamisia yleensä kutsutaan– rakenne oli erilainen. Puheet olivat 40-minuuttisia ja niitä oli vain viisi päivässä, joten kysymyksille ja keskustelulle jäi tilaa. Lounastauotkin olivat niin pitkiä, että ei tarvinnut kiirehtiä. Ohjelma loppui kolmen tienoilla, jonka jälkeen jaksoi vielä keskustella esille tulleista asioista ja miettiä yhteisiä tutkimuksen aiheita.

Epämuodolliset kohtaamiset ja jutustelut ovat vähintään yhtä tärkeitä kuin ohjelmassa olevat puheet. Kaikki hiukkaskosmologian tutkimushan on heti sen valmistumisen jälkeen vapaasti saatavilla arXiv-sivustolta. Artikkeleiden sisällön saamiseksi tietoon ei siis tarvitse kerääntyä samaan saliin. Mutta puheista pystyy arvioimaan eri asioita kuin artikkeleista: kuinka vakavasti tutkija ottaa tuloksensa, mistä hän on epävarma, mikä työn motivaatio on ja millaisia ajatuksia taustalla liikkuu. Kyky tieteellisten ideoiden arvioimiseen kehittyy sitä myötä kun hahmottaa tiedeyhteisön tapoja, ja sitä on vaikea oppia muuten kuin yhteisöön sukeltamalla.

Kuten olen aiemmin kirjoittanut, konferensseilla on myös tärkeä sosiaalinen rooli. Ennen pysyvän työpaikan, tai sellaiseen johtavan pestin, saamista hiukkaskosmologit usein kiertävät melkein vuosikymmenen eri paikoissa kuin vanhan ajan kisällit. Niinpä tuttavapiiri hajaantuu, ja konferensseissa tapaa ystäviä, joita ei ole nähnyt vuosiin. Joskus tieteellistä yhteistyötä kannustaa se, että olisi mukava tehdä ystävän kanssa jotain yhdessä.

Jos puheissa esitetään ihmeelliseltä tuntuva väite, se voi olla joko yksinkertainen virhe, monimutkainen virhe, tunnettu asia joka tuntuu oudolta, koska se on ilmaistu uudella kielellä, tai todella uusi löytö. Keskusteluilla haetaan ensin summittaista käsitteellistä kuvaa siitä, miten idea toimii. Fyysikot kutsuvat tätä fysikaaliseksi ymmärrykseksi, erotuksena matemaattisesta ymmärryksestä, joka on täsmällistä ja yksityiskohtaista, mutta jossa ei välttämättä hahmota palasten ja kokonaisuuden suhdetta. (En tiedä mitä mieltä matemaatikot ovat tästä.) Fysiikkaa voi todella ymmärtää vain matematiikan kautta, mutta usein ennen tarkkojen laskujen tekemistä on jo kuva siitä, mistä on kysymys.

On tavallista, että fyysikot eivät aivan ymmärrä toistensa puheita, silloinkaan kun aihe on lähellä omaa. Niistä voi aluksi olla jopa perustavanlaatuisia väärinkäsityksiä, joita paikataan kysymyksillä ja keskustelulla. Yksi tie ymmärrykseen on vahvojen väitteiden esittäminen ja testaaminen. Eräs kollegani onkin todennut, että fysiikassa kommentti ”tuo on huonoin idea minkä olen ikinä kuullut” voi olla hyvän keskustelun alku. (Hän lisäsi sittemmin huomanneensa, että yliopiston hallinnossa tämä ei toimi.)

Keskustellessa oma käsitys siitä, että on varmasti ymmärtänyt voi vaihdella nöyryyden ja oman ajattelun puutteiden kummastelun kanssa. Sitä tajuaa että ei tiedäkään miten asia menee, tai huomaa luulleensa vaikeaksi jotain, joka onkin oikeasta kulmasta katsottuna yksinkertaista. Omia ideoita puolustaessa hahmottaa itsekin paremmin mistä niissä oikein on kyse. Ilman ulkoista tönimistä on helppo jäädä kiertämään kehää. Keskusteluissa usein hahmotellaan asioita paperille tai taululle. Niinpä taulujen asiaa tuntemattomille vaikuttavan näköiset yhtälöt ovat yleensä vähän pielessä; ne ovat etsimisen jälkiä.

Fyysikot rutiininomaisesti perääntyvät vahvoista väitteistä ja vaihtavat nopsaan kantaansa. Eräs taidemaailmassakin toiminut kollegani on kertonut kokeneensa, että kosmologiassa olemme brutaalin rehellisiä mitä kommentteihin tutkimuksesta tulee, mutta oikeasti pidämme toisistamme, kun taas taidemaailmassa sanotaan kauniisti ja puukotetaan selkään. (En tiedä mitä mieltä taiteilijat ovat tästä.)