Kosmokseen kirjoitettua

Tiede ja uskonto inhimillisen maailman puolesta

29.11.2019 klo 13.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Evankelis-luterilaisen kirkon piispoilta ilmestyi toissapäivänä puheenvuoro Tieteiden lahja. Verkkolehti Areiopagi pyysi siihen kommentin muun muassa minulta. Muita kommentoijia olivat teologi Eero Junkkaala, filosofi Leila Haaparanta, evoluutiobiologi Mikael Fortelius, historioitsija Jaakko Tahkokallio sekä ilmastotutkija Laura Riuttanen, biokemisti Matti Leisola, filosofi Leo Näreaho, filosofi Tarja Kallio-Tamminen ja teologi Sammeli Juntunen.

Kirjoitan tieteestä, uskonnosta, ilmastonmuutoksesta, rohkeudesta, nöyryydestä ja apartheidista Palestiinassa.

”Tiedeuskoa, jonka piispat maalaavat tiedevastaisuudelle vastakkaiseksi navaksi, en tunnista tiedeyhteisöstä enkä yhteiskunnasta laajemmin. Liiallinen usko teknologiaan ja vallitsevaan yhteiskunnalliseen järjestelmään ovat kyllä oikeita ongelmia. Uskomme, että hallitsemme kättemme työt, että se minkä olemme pystyttäneet ei koskaan romahda, että kaikki järjestyy tekemällä kuten ennenkin. Tämä on uskoa ihmisen kaikkivoipaisuuteen ja hänen rakennelmiensa täydellisyyteen.”

Tiede porttina uuteen maailmaan

24.11.2019 klo 22.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kauniaisten musiikkijuhlien tämän vuoden teema oli uusi maailma, ja 3.11. pidin esityksen otsikolla Tiede porttina uuteen maailmaan. Sikäli kun muistan, puhuin jokseenkin seuraavalla tavalla.

Uusi maailma meren tuolla puolen

Mundus Novus. Uusi maailma. Eurooppalaiset ottivat 1500-luvulla tämän termin käyttöön kuvaamaan Amerikan mantereita, jotka olivat heille ennestään tuntemattomia. (Viikingit olivat toki matkanneet Pohjois-Amerikkaan jo vuosisatoja sitten, mutta tämä oli unohtunut.)

1500-luvun tutkimusmatkat ja niihin liittyvät valloitukset mullistivat käsityksen siitä, millainen Maa on, muuttivat yhteiskunnat ja auttoivat tieteen alkuun.

Löytöretket eivät muuttaneet käsitystä Maapallosta vain siinä mielessä, että karttoihin lisättiin uusia maita, ne myös maallistivat kuvaa maailmasta. Sieltä minne oli aiemmin meren tuolle puolen sijoitettu paratiisi, löytyi tavallisia ihmisiä, ja heidän altaan samanlainen maa ja yltään samanlainen taivas kuin Euroopassa.

Eurooppalaisten valloitusretket tuhosivat Pohjois- ja Etelä-Amerikan yhteiskunnat, mutta ne myös muuttivat Euroopan yhteiskuntia perustavanlaatuisesti. Tämä ei tapahtunut vain taloudellisen vaikutuksen kautta, vaan myös siirtämällä ajattelun uusiin uomiin.

Uusi maailma meren tällä puolen

”Suurin este tieteiden edistykselle sekä uusien tehtävien ja seutujen avaamiselle niissä on ihmisten toivon puute ja oletus, että se on mahdotonta.” – Francis Bacon, 1620

Tutkimusmatkat ja niihin liittynyt teknologian kehitys osoittivat, että maailmassa on uusia asioita löydettävänä. Yllä oleva sitaatti on prototieteilijä Francis Bacon kirjasta Novum Organon. Teoksen nimi tarkoittaa jotain sellaista kuin uusi työkalu maailman ymmärtämiseen, ja Bacon hahmotteli siinä tieteen perusteita.

Kirjassa on paljon antiikin auktoriteettien arvostelua. Bacon halusi vapauttaa ajattelun muinaisten suurmiesten varjosta ja kaataa rajoitukset, jonka mukaan heidän oivalluksiaan ei voisi ylittää. Bacon lainaa termejä eri aloilta – tiedettähän ei vielä ollut, eikä siten tieteellistä sanastoakaan. Yksi sanojen lähde on oikeusoppi (jota Bacon harjoittikin), ja nykyäänkin puhutaan fysiikan laeista. Toinen oli tutkimusmatkat, kuten sitaatista näkyy: maailman toistaiseksi selvittämättömät säännönmukaisuudet esitetään maantieteellisesti uusina seutuina.

Tutkimusmatkat osoittivat, että tavalliset, (Baconin ajan) nykyaikaiset ihmiset saattoivat saada maailmasta selville asioita, joista antiikin viisailla ei ollut aavistustakaan. Tämä tuntemattomien asioiden löytäminen kaukaa johdatti tutkailemaan myös lähellä olevia tunnettuja asioita tarkemmin: lämpöä, tulta, kappaleiden liikettä ja niin edelleen.

Tieteelle on monenlaisia määritelmiä, mutta tässä kelpaa sellainen, jonka mukaan tiede on maailman kartoittamista havaintoihin pohjaavalla rationaalisella päättelyllä. (Kaikki vaikkapa Helsingin yliopiston tiedekunnissa tehtävä tutkimus ei mahdu tämän määritelmän alle.) Tämä idea olisi voitu kehittää aiemmin, jo antiikin Kreikassa. Se ei edellyttänyt 1600-luvun matemaattisia ja teknologisia edistysaskelia, vaikka sitä niiden avulla toteutettiinkin.

Ympäristö kuitenkin kehystää sitä, mitä tulee ajatelleeksi, mitä uskaltaa ajatella ja miten ajatukset johtavat uusiin ajatuksiin. Tarvittiin uudet olosuhteet asettamaan ajatukset hedelmällisiin uomiin.

Hyödyn arvaamaton maailma

Bacon korostaa luonnosta hyötymistä tieteen avulla. Hän varoittaa, että vaikka osasta tutkimuksesta on välitöntä teknologista hyötyä, sen lisäksi tarvitaan tutkimusta, jonka hyöty ei ole heti nähtävissä, mutta joka selvittää asioita ja luo pohjan myöhemmälle teknologialle. Tämä vastaa karkeasti nykyajan jakoa soveltavaan tutkimukseen ja perustutkimukseen.

Teknologian ja tieteen suhde oli alusta alkaen tiivis. Tekniikan kehitys mahdollisti asioiden entistä tarkemman tutkimisen -Bacon käsittelee esimerkkeinä mikroskooppeja ja teleskooppeja- ja tiede johti uuteen teknologiaan. Tämän kehän yhä nopeampi kiertäminen vei 1700-luvulla teolliseen vallankumoukseen.

Höyrykone toi käyttöön fyysistä voimaa yli sen, mihin ihmiset ja muut eläimet pystyvät, ja jatkuvasti ja väsymättä. Veturien voima yhdisti kaupungit toisiinsa nopein rautatein. Höyrylaivat tekivät satamien verkostossa liikkumisesta säännöllisempää ja vähemmän altista sääilmiöille moottorien työntäessä laivoja eteenpäin tuulista piittaamatta.

1800-luvulla sähkö mullisti maailman. Akkujen avulla saatettiin varastoida energiaa keinotekoisesti, tarvitsematta polttaa hiiltä, kaasua tai puuta silloin kun energiaa tarvittiin, ja sähköjohtojen avulla kuljettaa sitä kauas. Sähkövalot valaisivat kaupungit ja tekivät mahdolliseksi elää kirkkaassa valossa myös yöllä, vapauttaen elämää Auringon noususta ja laskusta. Nykyään avaruudesta Maata katsoessa näkee öisinkin valon hohteen: olemme karkottaneet pimeyden.

1900-luvulla kvanttimekaniikka oli elektroniikan ja nykykemian, siis jokseenkin kaiken nykyteknologian, pohjana, johtaen digitaaliseen teknologiaan, tietokoneisiin, satelliitteihin, internettiin.

Viimeisen kolmensadan vuoden aikana tiede on eniten maailmaa ja yhteiskuntia muuttanut tekijä.

Uusi maailma välillämme

”Teknologia ei ole hyvää eikä pahaa; eikä se ole neutraalia.” – Melvin Kranzberg, 1985

Tiede on mullistanut yhteiskuntia kahdella tavalla.

Ensinnäkin teknologinen kehitys on muutoksen moottori. Yllä oleva sitaatti teknologian historioitsija Melvin Kranzbergilta kuvaa sitä, että teknologiaa voidaan käyttää sekä edistämään että tuhoamaan inhimillistä elämää: sillä voidaan rakentaa ihmisille entistä parempia koteja entistä nopeammin, sekä entistä tehokkaammin tuhota noita koteja ja ihmisiä niissä.

Mutta sen lisäksi teknologia johdattaa kehitystä tiettyyn suuntaan, ja sillä on seurauksia, joita kukaan ei ole tarkoittanut eikä ennustanut. Höyrykoneen ja sarjatyön kehittäminen johti väestön muuttamiseen maaseudulta kaupunkien tehtaiden työväeksi, mikä mursi perinteiset käsitykset perheistä sukupuolista, sukupolvista ja yhteiskuntaluokista. Se kyseenalaisti yhteiskunnalliset valta-asetelmat, ja johti sosialistisiin ja kommunistisiin liikkeisiin, jotka vaativat uutta maailmaa. Uusi ajattelu ihmisistä ei ole irrallaan teknologiasta, vaan asiat ohjaavat toisiaan.

Toisekseen tieteessä on kyse sen selvittämisestä, mikä on totta ja mikä ei ole totta. Monet vanhoilta ajoilta periytyneet käsitykset niin maailmasta kuin ihmisistä eivät ole totta. Tutkimus on osoittanut, miten käsityksemme sukupuolista, seksuaalisuudesta ja muista ihmisten välisistä suhteista –ja suhteistamme muunlajisiin eläimiin– ovat olleet virheellisiä ja korjanneet yhteiskuntaa totuudenmukaisemmaksi. Tiede on avannut uudenlaisen ihmisyyden.

Inhimillinen maailma menneisyyden tuolla puolen

Nyt teknologia, yhdessä totuudenmukaisemman ihmiskuvan kanssa, mahdollistaa maailman, jossa jokainen voi elää ihmisarvoista elämää, vapaana nälästä, janosta, sodasta, raatamisesta, joka on täyttänyt menneisyytemme. Teknologia tekee mahdolliseksi toteuttaa meren tuolta puolelta aikoinaan etsityn jumalaisen paratiisin maan päällä. Tällaista uutta maailmaa ei ole koskaan ollut.

Yhtä lailla teknologia mahdollistaa, ensimmäistä kertaa, koko inhimillisen sivilisaation, ellei koko lajimme, tuhoamisen ilmastonmuutoksen ja joukkotuhoaseiden kautta. Alla oleva sitaatti kirjailijalta ja aktivistilta Arundhati Roylta on toiveikas; hän lausui sen erään katastrofin, Irakin sodan aikana, katsoen hetken kauhuja kauemmaksi.

”Toinen maailma ei ole vain mahdollinen, hän on jo matkalla. Voi olla, että monet meistä eivät ole enää täällä häntä tervehtimässä, mutta hiljaisena päivänä, kun kuuntelen hyvin tarkkaan, saatan kuulla hänen hengityksensä.” – Arundhati Roy, 2003

Epäinhimillinen maailma arjen tuolla puolen

Jos tiede mahdollistaa inhimillisen maailman, se on myös paljastanut että maailma on epäinhimillinen. 1900-luvulla tiede osoitti, että arkikäsityksemme maailmasta ovat perustavanlaatuisesti virheellisiä.

Suhteellisuusteoria osoitti, että avaruus ei ole passiivinen näyttämö tapahtumille, eikä aika ole erillinen mittari sille missä vaiheessa näytelmää ollaan, vaan ne ovat osa yhtä kokonaisuutta, aika-avaruutta, joka muuttuu vuorovaikutuksessa aineen kanssa. Aika kulkee eri tavalla eri paikoissa ja avaruus kehittyy ajassa; maailmankaikkeus laajenee.

Kvanttifysiikka osoitti, että käsityksemme aineesta, olemisesta ja tapahtumisesta ovat tyystin virheellisiä. Aine ei koostu kiinteistä palikoista, todellisuus on epämääräinen ja epädeterministinen.

Arkinen käsityksemme todellisuudesta on evoluution myötä kehittynyt kuvaamaan ilmiöitä ja olosuhteita, jotka ovat olleet keskeisiä henkiinjäämisemme kannalta: pituuksia millistä kilometreihin, aikavälejä sekunnin murto-osasta vuosiin, nopeuksia jotka ovat pieniä verrattuna valonnopeuteen, vähäisiä energioita ja heikkoja gravitaatiokenttiä. Tämä on pieni saareke fysikaalista maailmaa, eivätkä sen perusteella tehdyt johtopäätökset ole yleisesti päteviä.

Jos suhteellisuusteoria tai kvanttifysiikka tuntuvat omituisilta, ongelmana on rajoittunut arkikuvamme todellisuudesta. Jos kuvittelee maailman olevan litteä, niin pyöreällä maailmalla on kummallisia ominaisuuksia: jos matkaa samaan suuntaan, niin palaa takaisin alkupisteeseen, vaikka ei ole koskaan kääntynyt takaisin, ”ylös” osoittaa eri suuntaan eri puolilla maailmaa, ja niin edelleen. Pallon pinnan tunteva hahmottaa, että asiassa ei ole mitään outoa, ristiriitaista on vain kaarevan avaruuden pakottaminen litteään ajatteluun.

Merkityksetön maailma osaa vailla

Mytologioiden maailma on inhimillinen. Kenties alussa on epäinhimillinen ja käsittämätön kaaos, mutta maailmaa muokkaavat voimat ovat persoonallisia ja ihmisenkaltaisia, ja usein ihmisellä on erityinen osa kaikkeuden tapahtumissa.

Modernin kauhukirjallisuuden edelläkävijä H.P. Lovecraft kirjoitti, että hänen tarinoidensa ytimessä on se ajatus, että ihmiskunnalla ei ole merkitystä. Jossain mielessä Lovecraftin visio oli kuitenkin turhan lohdullinen. Vaikka hänen kirjojensa maailma on välinpitämätön ihmiskuntaa kohtaan, sitä ohjaavat voimat ovat vanhojen mytologioiden tapaan persoonallisia. Ihminen on merkityksetön, mutta maailma on merkityksellinen.

Tiede on osoittanut, että maailmaa hallitsevat lait ovat persoonattomia, maailmalla ei ole sisäsyntyistä merkitystä, eikä ihmisillä ei ole erityistä paikkaa maailmankaikkeudessa.

Maan pöly josta olemme kasvaneet on monipolvisten muodonmuutosten muokkaama: avaruuden laajetessa kvarkit yhtyvät protoneiksi ja neutroneiksi, jotka muodostavat ytimiä, jotka sitoutuvat elektronien kanssa atomeiksi, jotka muodostavat molekyylejä, joista syttyvät tähdet, joiden kuolema synnyttää raskaat alkuaineemme. Olemuksemme ja ihmisyydessä tärkeimpänä pitämämme asiat ovat evoluution sattumusten suomaa.

Kaikkien maailmojen alkuperä

Yllä näkyy Euroopan avaruusjärjestö ESAn Planck-satelliittiryhmän (jossa Helsingin yliopistokin on mukana) tekemä kartta kosmisesta mikroaaltotaustasta, valokuva maailmankaikkeudesta 14 miljardin vuoden takaa. Se näyttää, millainen maailma oli 380 000 vuoden iässä: kuuma keitto, jossa jotkut alueet olivat sadastuhannesosan verran harvempia ja toiset saman verran tiheämpiä. Tiheämmät alueet sittemmin tiivistyivät gravitaation vaikutuksesta ja muodostivat galakseja ja muita rakenteita.

Kaikkien rakenteiden alkuperä on näissä pienissä sattumanvaraisissa tiheysvaihteluissa: Auringon, Maan, ihmisten; kaikki saavutuksemme ja koko inhimillinen kulttuurimme on niistä lähtöisin.

Maailma yllä, alla ja välissä

Kaikkiaan, tiede on paljastanut että maailma on epäinhimillinen, sikäli kun maailma tarkoittaa maailmankaikkeutta perustavanlaatuisella tasolla.

Samalla tiede on tehnyt ensimmäistä kertaa mahdolliseksi inhimillisen maailman, sikäli kun maailma tarkoittaa arkemme fyysisiä ja sosiaalisia puitteita.

Oppaana tälle ensimmäiselle valtameren ylitykselle kohti uutta maailmaa meillä on tiede, sekä merkitykset jotka yhdessä annamme ja arvot jotka yhdessä määritämme.

---

Kohti monimuotoisuutta

10.11.2019 klo 17.56, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Tällä viikolla Helsingissä järjestettiin 4.-5.11. NORNDiPin toinen konferenssi. NORNDiP eli Nordic Network for Diversity in Physics on naispuolisten pohjoismaisten fyysikoiden vuonna 2017 perustama ja  NordForskin rahoittama projekti naisten näkyvyyden, tasa-arvon ja diversiteetin edistämiseksi fysiikassa.

Konferenssissa oli naispuolisten fyysikoiden kiinnostavia puheita fysiikan eri alueilta, kuten neutriinoiden astrofysiikasta, kaupunkien mikrometeorologiasta, maanjäristyksistä, rakenteiden vaikutuksesta maailmankaikkeuden laajenemiseen, ja aurinkoenergiaa keräävien liuosten valmistamisesta molekyylifysiikan keinoin. Lisäksi oli sukupuolikysymyksiin, tasa-arvoon ja diversiteettiin keskittyviä puheita.

Konferenssin avasi Helsingin yliopiston vararehtori (ja hiukkasfyysikko) Paula Eerola. Matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa yleisesti ja fysiikassa erityisesti on pitkään ollut ongelmana naisten pieni osuus sekä opiskelijoista että tutkijoista. Aloittavien opiskelijoiden osalta tilanne on parantunut huomattavasti. Matemaattis-luonnontieteellisessä on itse asiassa nykyään kaikista tiedekunnista kaikkein tasaisin aloittavien opiskelijoiden sukupuolijakauma: naisia on 45%. Kaikissa muissa tiedekunnissa valtaosa opintonsa aloittavista on naisia. Seuraavaksi vähiten epätasainen tilanne on oikeustieteellisessä ja teologisessa, missä 63% aloittavista opiskelijoista on naisia.

Matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan osastoista paras tasapaino on fysiikassa, missä aloittavista opiskelijoista naisia on 43%. Epätasaisimmat luvut ovat tietojenkäsittelytieteessä (31% naisia) ja kemiassa (65% naisia), mutta edellisen tilanne muuttuu nopeasti: naisten osuus on yli kaksinkertaistunut viimeisten neljän vuoden aikana.

Viime vuosikymmenellä aloittavista fysiikan opiskelijoista vain kolmannes oli naisia. On vaikea sanoa varmasti, mistä muutos johtuu, mutta siihen lienee vaikuttanut se, että fysiikan osasto on panostanut siihen, miten fysiikkaa esitetään kouluille ja tuonut esille naispuolisia roolimalleja. Uusien alojen kuten ilmakehätieteen kasvu on myös saattanut vaikuttaa.

Henkilökunnan tilanne on paljon epätasaisempi: matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa henkilökunnasta 29% on naisia; professorien kohdalla osuus on 13% (tilastoissa on muuten vain kaksi sukupuolta). Eija Tuominen esitteli keräämiään lukuja fysiikan osalta Suomen yliopistoista. Helsingissä naisten osuus professoreista on isoin, 8/38 (21%). Huonoin tilanne on Itä-Suomen yliopistossa, missä 12 fysiikan professorin joukossa ei ole ainuttakaan naista (0%). Seuraavaksi epätasaisin tilanne on Aalto-yliopistossa, missä 22 professorista yksi on nainen (5%) ja Jyväskylän yliopistossa, missä 18 professorista yksi on nainen (6%). (Näissä luvuissa ovat mukana apulaisprofessorit, täysprofessorien kohdalla tilanne olisi luultavasti vieläkin karumpi.)

Tilanne on samanlainen muissa pohjoismaissa: mitä korkeammalle mennään, sitä vähemmän naisia on, eikä ongelma korjaannu itsekseen ajan myötä. Yleinen yhteiskunnallinen tasa-arvo ei myöskään takaa naisten tasapuolista edustusta, vaan siihen vaikuttavat monet tekijät. (Esimerkiksi Birzeitin yliopistossa Miehitetyillä palestiinalaisalueilla noin 80% fysiikan opiskelijoista on naisia, vaikka yleinen tasa-arvon tilanne on siellä heikompi kuin Suomessa.)

Naisten vähäiseen osuuteen vaikuttavat ainakin tiedostamattomat ennakkoluulot, lasten hankkimisen vaikea yhdistäminen tutkimustyöhön (missä vaikuttaa myös lapsenhoidon ja kotitöiden epätasainen jakautuminen), naispuolisten roolimallien ja ohjaajien puute, naispuolisten kollegoiden puute, avoin syrjintä sekä seksuaalinen ja sukupuoleen perustuva häirintä.

Jadranka Gvozdanovic kertoi, että Euroopan unionin ylenpalttisen arvostettujen aloittavien tutkijoiden ERC-tutkimusrahoituksen hakijoista naisia on 31% ja saajista 27%. Naisten tutkimussuunnitelmat arvioidaan yhtä hyväksi kuin kuin miesten, mutta heidän tutkijan potentiaalinsa saa huonommat arviot. Jälkimmäinen on epämääräisempi ja vaikeammin punnittava asia, ja arviot siitä saattavat siksi olla helpommin ennakkoluulojen vietävissä. Tätä on yksittäisissä tapauksissa vaikea osoittaa, mutta asiasta on yleisesti ottaen tutkimusnäyttöä. Esimerkiksi on todettu, että täysin identtisistä hakemuksista, joista toisessa on miehen ja toisessa naisen nimi miehen nimellä varustettu arvioidaan korkeammalle. Gvozdanovicin mukaan arvioihin vaikuttaa myös se, että miehet herkemmin liioittelevat ja naiset vähättelevät saavutuksiaan.

Mutta kuten olen aiemmin kirjoittanut, ei ole selvää, miksi tilanne on erityisen huono fysiikassa. Aikoinaan kaikki yliopistojen alat olivat vain miehille, ja kaikissa oli aluksi samat ongelmat. Miksi fysiikassa ja läheisillä aloilla edistys on ollut muita hitaampaa? Osa syistä liittyy ennakkokäsityksiin fysiikasta, koska naisia on jo aloittavissa opiskelijoissa vähemmän, osa siihen mitä yliopistoissa tapahtuu, koska naisten osuus laskee korkeammalle noustessa.

Tomas Brage tarjosi yhdeksi selitykseksi fyysikoille ominaista kognitiivista harhaa. Fysiikan teorioiden muotoilussa ja ongelmien ratkaisemisessa sosiaalisten tekijöiden ja yhteiskunnallisten ennakkoluulojen vaikutus on vähäinen. (Niillä on kyllä iso vaikutus siihen, mitä teorioita arvostetaan ja mitä ongelmia lähdetään ratkaisemaan.) Niinpä on helppo kuvitella, että fyysikkona tekee päätöksiä opiskelijoiden ja tutkijoiden valinnasta yhtä lailla ilman ennakkoluuloja. Ennakkoluuloja on vaikeinta ottaa huomioon silloin kun kuvittelee, että niitä ei ole. Koulutus ja kokemus analyyttisestä ajattelusta auttaa päätösten tekemisessä rationaalisesti vain silloin kun tuntee oman ajattelun lähtökohdat. Jotkut myös esittivät, että erityisesti fysiikassa ja matematiikassa vaalitaan sankarimyyttiä yksinäisestä nerosta, joka yleensä mielletään mieheksi.

Usea puhuja korosti sitä, että ongelman korjaamiseen ei riitä lukujen mittaaminen tai ohjeiden laatiminen, vaikka niistä on hyvä aloittaa. On tärkeää tiedottaa tasa-arvosta ja kouluttaa sen toteuttamiseksi kaikilla tasoilla, alkaen johdosta. On oleellista saada johdolta selvä viesti tasa-arvon ja diversiteetin merkityksestä, joka auttaa konkreettisten toimien saamisessa läpi.

Läpinäkyvyyden lisääminen valintojen ja palkkauksen kaikilla tasoilla on keskeistä: tasapuolisuutta on vaikea varmistaa, jos ei ole tietoa siitä, mitä tapahtuu. Prosesseissa olisi syytä olla mukana ulkopuolinen tarkkailija, joka voi varmistaa tasapuolisuuden toteutumisen. Pitää myös olla mahdollisuus katkaista prosessi, jos tasapuolisuus ei toteudu, vaikkapa sen takia että paikasta on tiedotettu valikoivasti. Esimerkkinä mainittiin tapaus, jossa haku laitettiin uusiksi, kun kaikki ehdokkaat olivat miehiä. Tasapuolisuus on tärkeä ottaa huomioon alusta alkaen, ei vain lopullisia valintoja tehdessä. Omat ongelmansa on paikoissa, jotka täytetään suoraan kutsumalla, ilman avointa hakua. (Mainittakoon, että minut nimitettiin sekä viisivuotiseen yliopistonlehtorin tehtävään että nykyiseen pysyvään yliopistotutkijan paikkaan ilman hakua.) Kannustimien luomisen merkitystä korostettiin: jos rahoitus riippuu diversiteettitavoitteiden saavuttamisesta, tilanne muuttuu nopeasti.

Tanskassa on paikkoja, joita saavat hakea vain naiset ja muuta vain naisille tarkoitettua rahoitusta. Yksi tällaisten järjestelyjen ongelma on se, että jos naisille on korvamerkittyä rahaa, niin tätä pidetään syynä olla antamatta heille sellaista rahoitusta, jota kaikki voivat hakea. Sukupuolikiintiöt ovat toinen joskus käytetty väline, mutta avoimien ja ennakkoluulot huomioon ottavien, tasapuolisten prosessien ja käytäntöjen luominen esitettiin tehokkaampana keinona tasa-arvon ja diversiteetin toteutumiseen. Kiintiöt voivat korjata lukumäärien vinoumia, mutta sivuuttavat niihin johtavat syyt.

Kiintiöiden käyttämisessä esimerkiksi arviointilautakunnissa ja muissa päättävissä tai neuvovissa elimissä on myös se ongelma, että kun naiset ovat vähemmistössä, heille tulee suhteettoman paljon tällaista hallinnollista työtä. Tämä vie aikaa pois tutkimukselta, opetukselta ja muulta arvostetummalta (ja kiinnostavammalta) työltä.

Yritysmaailmaan siirtynyt Vala Hjörleifsdóttir kertoi, että hänen kokemuksensa mukaan yliopistoissa fysiikassa halutaan palkata yksittäisiä supertähtiä, kun taas yrityksissä mietitään, kuka on ryhmän kokonaisuuden kannalta paras ehdokas. Hän totesi, että koska jälkimmäisessä tapauksessa ajatellaan tutkimuksen tekemisen kokonaisuutta eikä vain yksilöä, diversiteettikysymys nousee automaattisesti osaksi päätöksentekoa.

NORNDiP-verkoston nimessä esiintyy sana diversiteetti eli monimuotoisuus, jota nykyään käytetään ennemmin kuin naisten edustusta tai tasa-arvoa. Käsitteillä on suuri merkitys ajattelun ohjaamisessa, ja termi diversiteetti auttaa hahmottamaan sitä, että sukupuolia on useampia kuin kaksi ja tasa-arvossa on muitakin akseleita kuin sukupuoli. Usein etniseen taustaan liittyvään syrjintään on kiinnitetty vähemmän huomiota kuin sukupuoleen liittyvään.

Esimerkiksi CERNin diversiteetti- ja inkluusio-ohjelman johtaja Louisa Carvalho puhui CERNissä otetuista askeleista tasa-arvon suhteen mitä tulee sukupuoleen ja seksuaaliseen orientaatioon. Sitä ei kuitenkaan pidetä mainitsemisen arvoisena, että CERNin ainoa Euroopan ulkopuolinen jäsenvaltio Israel perustuu sekä laillisesti että käytännössä yhden etnisen ryhmän ylivaltaan ja rotusortoon. Sitä, että Israelin akateemiset instituutiot osallistuvat rotuerottelun ylläpitämiseen ei katsota diversiteettikysymykseksi – lähitulevaisuudessa tämä nähtäneen aikamme omituisuutena.

NORNDiPin konferenssi on hyvä esimerkki ruohonjuuritasolta nousevasta toiminnasta. Osallistujat olivat muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta fyysikoita, joten he tuntevat alan käytännöt hyvin, ja olivat itse keränneet datan ja käyneet sitä läpi. (Data-analyysi on tietysti fyysikoille tuttua, ja esityksissä oli paljon lukuja.)

Samalla täytyy sanoa, että tällainen ruohonjuuritason konferenssi on itsessään osoitus ongelmasta. Jos tasa-arvo ja diversiteetti otettaisiin vakavasti, yliopistoilla olisi palkattuja ammattilaisia, jotka järjestelmällisesti keräisivät aiheesta tarkkaa dataa; analysoisivat sitä; auttaisivat diversiteettitavoitteiden muotoilemisessa; ja seuraisivat tavoitteiden saavuttamista ja raportoisivat siitä suositusten kera. Nyt tutkijat joutuvat tekemään tätä oman alansa osalta vapaaehtoisesti työnsä ohella. Kun kyseiset tutkijat ovat ylivoimaisesti naisia, niin diversiteetin edistäminen itsessään osaltaan lisää epätasa-arvoa, se kun vie naispuolisten fyysikoiden aikaa.

Niin luvuilla mitatun tasa-arvon edistäminen kuin häirintätapauksiin puuttuminen koetaan liian usein niiden ongelmaksi, josta tilanteesta kärsivät. Yliopistojen johto on helposti passiivinen ja sysää ratkaisujen keksimisen ongelmia esille tuovien vastuulle (joilla ei kuitenkaan ole valtaa muuttaa asioita), sen sijaan että ryhtyisi toimeen.

Luvut ja ylätason analyysi eivät yksin välitä ongelman laajuutta. Naisfyysikoiden kertomukset omista kokemuksista epäasiallisesta kohtelusta valaisevat ongelmien konkreettisuutta, sekä siltä kannalta että asioissa on edetty että myös siinä, että on vielä paljon korjattavaa.

Yksi tällaisten tapaamisten hyöty on se, että tasa-arvosta kiinnostuneet tapaavat ja verkostoituvat. Usein ihmiset eivät uskalla kertoa häirinnästä tai kiinnittää huomiota rakenteellisiin vääristymiin tiedeyhteisössä, koska pelkäävät, että heidät leimataan ongelmalliseksi.

NORNDiPiin voi liittyä lähettämällä viestin osoitteeseen norndip@gmail.com. Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksella toimii naisverkosto, joka on avoin kaikille sukupuolille. Fysiikan osastolla ongelmista sopii raportoida hyvinvointiryhmälle, joka luotsasi viime vuonna kampukselle menettelyohjeen (Code of Conduct).

Paikan täyttäminen

28.10.2019 klo 00.12, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pari viikkoa sitten tutkijakollegani Tommi Tenkasen vieraillessa Helsingissä juttelimme työhuoneellani inflaatiosta, pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta. Sitten kiistelimme hänen paljon huomiota saaneen artikkelinsa lehdistötiedotteesta ja termistä alkuräjähdys. Lopuksi Tommi antoi minulle käteen vasta ilmestyneen kirjansa Pimeän aineen arvoitus sanoen, että sen alussa on alkuräjähdykselle määritelmä, josta en pidä. Hän oli totisesti oikeassa, mutta kirjassa on myös paljon sellaista mistä pidän.

Ursan julkaisema kirja on kauniskantinen ja hyväntuoksuinen. Sen 12 luvussa ja noin 200 sivulla käydään läpi pimeän aineen perusteita niin teorian kuin havaintojen osalta. Kunkin luvun avaa viehättävän vanhakantainen yhden virkkeen tiivistelmä sisällöstä, ja jokaisen lopussa on kolmen pointin kertaus. Sellainen onkin hyödyllinen tällaisessa tietokirjassa, joka kulkee tarinallisesti ja jossa tietoa pitää pohjustaa huolella.

Tommi on teoreettinen fyysikko, mutta kertoo tarinan havainnot edellä. Tämä on asianmukaista, meillä kun on paljon pimeään aineeseen viittaavia havaintoja, mutta emme tarkalleen tiedä millainen teoria sitä kuvaa. Ensimmäinen luku on pikajuoksu kosmologian virstanpylväiden ohi, sen jälkeen käydään yksittäisiä aiheita tarkemmin läpi. Pimeän aineen tutkimus yhdistää astrofysiikkaa ja hiukkasfysiikkaa, ja kirjassa molemmat puolet ovat sopivalla painolla mukana.

Pimeä aine on yksi kosmologian keskeisiä kysymyksiä, avoin paikka maailmankaikkeuden kalusteluettelossa. Kirjassa käsitellään pimeää ainetta erittäin monipuolisesti, 1900-luvun alkupuolen havainnoista kosmiseen mikroaaltotaustaan, gravitaatiolinsseihin, galaksien ja ison mittakaavan rakenteen simulaatioihin, pimeän aineen hiukkasten suoraan ja epäsuoraan havaitsemiseen ja niiden tuottamiseen hiukkaskiihdyttimissä. Historiassa on kiinnostavia yksityiskohtia, joita en aiemmin tiennyt. Kokeiden historia tuo esille fyysikkojen kekseliäisyyden, ja mukaan ovat päässeet uusimmat hauskat ehdotukset pimeän aineen etsimisestä DNA-rihmoilla ja 12 kilometrin syvyydestä kaivetuilla mineraaleilla.

Lukuisista vaihtoehdoista pimeän aineen hiukkaselle kirjassa on käsitelty tarkimmin nynnyjä, aksioneja ja mustia aukkoja. Tommi mainitsee myös eksoottisen mahdollisuuden siitä, että pimeä aine olisikin monimutkaisempaa ja muodostaisi kenties jopa pimeän aineen planeettoja ja olentoja. Myös se vaihtoehto, että pimeää ainetta ei olisikaan olemassa käydään läpi.

Kirjassa esitellään Suomessa pimeän aineen tiimoilta tehtävää tutkimusta. Tommi on siinä mukana, ja kirjoittaa jonkin verran omasta työstään ja polustaan tutkijana. Tarina liikkuu Higgsin hiukkasen löytämisestä CERNin saleissa Planck-satelliitin tuloksen käsittelyyn Helsingin yliopiston fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarihuoneessa, ja sieltä Johns Hopkinsin yliopiston käytäville.

Tieteen tekemisen ennalta-arvaamattomuus ja yhteisöllisyys tuodaan hyvin esille. Pimeällä aineella on ollut monta kokkia, mikä esitetään selitykseksi sille, että sen enempää Fritz Zwicky kuin Vera Rubin ei saanut Nobelin palkintoa. On tosin ironista, että selitystä on valaistu sitaatilla Jim Peeblesiltä, joka saa tänä vuonna Nobelin palkinnon osittain pimeästä aineesta.

Tällaisissa kirjoissa on vaikea välttää toistoa, koska asiat risteävät, mutta sitä olisi voinut karsia. Kerronnan selkeyttä minun on hankala arvioida ensinnäkin siksi, että olen kirjoittanut samoista aiheista ja toisekseen siksi, että tutun tekstiä on vaikea irrottaa henkilöstä. Minusta kuitenkin tuntuu, että selitykset liikkuvat turhan nopeasti ja jäävät joskus pintapuolisiksi. Ymmärrykselle olisi voinut tarjota enemmän tukea. On saman tien sanottava, että 200 sivussa käydään läpi paljon asiaa, ja syvyyden ja laajuuden välillä pitää tehdä valinta. Meno on myös välillä hieman poukkoilevaa: temaattista ja kronologista kerrontaa ei ole saatu sovitettua saumattomasti yhteen, ja tarina kulkee eri poluille, joilta palataan myöhemmin takaisin.

Teksti on positiivissävyistä ja kepeää. Kirjaan on haastateltu tutkijoita, mutta haastateltujen persoonallinen ääni ei juuri kuulu. Poikkeuksena on kenties tunnettu teoreetikko Nima Arkani-Hamed, jonka suureellisia ja osittain virheellisiä väitteitä esitellään kritiikittä. Arkani-Hamed esimerkiksi väittää, että ”edes yksinkertaisimpia wimpejä ei ole [kokeellisesti] suljettu pois, ei todellakaan”. Tätä väitettä voi kauniisti kutsua markkinapuheeksi: totta se ei ole. Havainnot ovat sulkeneet pois alkuperäiset yksinkertaiset wimpit jo aikapäiviä sitten, ja pimeän aineen hiukkasten pitää vuorovaikuttaa ainakin miljardi kertaa heikommin kuin mitä alun perin ajateltiin.

Harhaanjohtava on myös Arkani-Hamedin väite, että Higgsin hiukkasen ”olemus on täysin paradoksaalinen”. Todellisuudessa Higgsin LHC-kiihdyttimessä mitatut ominaisuudet vastaavat hiukkasfysiikan Standardimalliin ennusteita erinomaisen hyvin. Ne sopivat myös hyvin joihinkin sen laajennuksiin, kuten steriilejä neutriinoita sisältävään nuMSM:ään. On toki totta, että jotkut teoreetikoiden vaalimat mallit (kuten supersymmetrinen Standardimalli) sopivat havaintoihin huonosti. Tämä on paradoksaalista vain jos haluaa pitää kiinni teoreettisista ideoista silloinkin kun havainnot osoittavat toista. Tältä osin tiedeyhteisön käsittely jää kirjassa pinnalliseksi, kriittisiä sävyjä ei juuri ole.

Kirjassa on kuitenkin yleensä huolella eroteltu se, mitä tiedetään varmasti, mikä on luultavasti totta, mikä on villiä spekulaatiota ja mitä havainnot tästä kaikesta sanovat. Epävarmuudet on huomioitu hyvin myös lopun sanastossa, mikä onkin varmaan lukijoille hyödyllinen, sen verta paljon erikoistermejä tästä aiheesta kertoessa väistämättä tulee käyttäneeksi.

Tällaisissa kirjoissa pitää valita valheensa, koska usein lukija ymmärtää paremmin, jos asian selittää yksinkertaisesti ja väärin kuin monipolvisesti ja oikein. Kirjassa on kuitenkin useita yksinkertaistuksia ja huolimattomuuksia, joiden kanssa olisi mielestäni syytä olla tarkempi. Alla jokunen esimerkki.

Tekstissä sanotaan, että neutriinot kiitävät aina lähes valonnopeudella. Itse asiassa kosmiset neutriinot (eli lähes kaikki neutriinot) ovat maailmankaikkeuden laajenemisen takia pudonneet kauas valonnopeudesta.

Kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatio on jo mitattu, ja sitä tuottavat muutkin tapahtumat kuin kosminen inflaatio.

Kirjassa useaan kertaan toistetaan yleistä harhakäsitystä siitä, että ”aine on energiaa ja energia ainetta”. Energia on aineen ominaisuus, aivan kuten liikemäärä, massa, nopeus tai sähkövaraus. Se ei ole erillinen olemisen muoto. Kun kirjassa käydään läpi pimeää ainetta ja pimeää energiaa, tämä muotoilu on erityisen hämmentävä.

Tommi kirjoittaa, että hiukkasfysiikan ja astrofysiikan välillä ei juuri ollut yhteyttä ennen pimeän aineen teorioiden nousua 1980-luvulla. Itse asiassa Yhdysvaltojen ydinaseprojektista tunnettu Robert Oppenheimer toi astrofyysikot ja suhteellisuusteoreetikot yhteen 1960-luvulla kvasaarien selittämiseksi, ja samalla muitakin hiukkasfyysikoita tuli mukaan kuvioihin, kuten esimerkiksi Pedro Ferreiran kirjassa Täydellinen teoria käydään läpi. Myös Neuvostoliitossa Lev Landaun ja Jakov Zeldovitšin ryhmissä siirryttiin sujuvasti hiukkasfysiikan ja astrofysiikan välillä 1960-luvulta asti.

Ei ole totta, että ”kukaan ei tiennyt miksi” maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, kun se vuonna 1998 havaittiin. Osa tämän vuoden Jim Peeblesin Nobelin palkinnosta myönnetään siitä, että hän vuonna 1984 palautti tyhjön energian (joka johtaa kiihtyvään laajenemiseen) kosmologian keskiöön. Tämä ei ole pieni yksityiskohta, vaan valaisee havaintojen ja teorian suhdetta: vuoden 1998 havainnoista on mahdollista lukea, että maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt vain jos etukäteen olettaa, että tyhjön energiaa on olemassa. (Myöhemmät havainnot ovat varmentaneet asian ilman tätä havaintoa oletusta.) Kokeellisten ryhmien kysymyksenasettelu muotoutui nimenomaan teoreetikoiden työn päälle, ja tämä oli myös syy siihen, miksi teoreetikot hyväksyivät havainnot niin nopeasti. Eri asia on sitten se, onko selitys oikea. Pyrkimys dramatisointiin johtaa kirjassa harhaan myös LIGOn havaitsemista gravitaatioaalloista kerrottaessa.

Avaruuden ja aika-avaruuden kaarevuus menee selityksissä sekaisin: tuntuu tarpeettomalta yksinkertaistaa esimerkiksi valon taipumista puhumalla vain avaruuden kaarevuudesta, kun avaruuden ja aika-avaruuden kaarevuus kuitenkin myöhemmin esitellään erillisinä käsitteinä.

Entäpä se alkuräjähdys? Tutkijat käyttävät sanaa kolmessa eri merkityksessä: ajan ja avaruuden alku (alkuperäinen merkitys); aineen synty inflaation lopussa; tai aikakausi, jolloin aine oli nykyistä kuumempaa ja tiheämpää. Kirjassa on valittu viimeinen, epämääräisin vaihtoehto, vieläpä siten, että alkuräjähdys päättyy vasta atomien muodostumiseen, eli kestää 380 000 vuotta. Mutta tekstissä on tehty selväksi, miten termiä käytetään, mikä saattaa sentään lieventää väärinkäsityksiä.

Lopussa oleva kirjallisuusluettelo osoittaa, miten paljon hiukkaskosmologiasta suurelle yleisölle suunnattuja kirjoja onkaan suomeksi julkaistu. Joukossa ei kuitenkaan tätä ennen ollut ainuttakaan vain pimeälle aineelle omistettua teosta. Tämän paikan kirja täyttää, ja esittelee pimeästä aineesta kaiken oleellisen. Erityisen ajankohtainen kirja on niille, jotka haluavat syventää tietojaan tämän vuoden Nobelin palkinnon tiimoilta.

Päivitys (28/10/19): Korjattu havainto oletukseksi.

---

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.