Kosmokseen kirjoitettua

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.)

---

Monta roolia avoinna

31.5.2019 klo 22.16, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tällä viikolla Helsingin yliopiston fysiikan osastolla oli Higgsin kenttään keskittyvä pieni konferenssi NonMinimalHiggs. Ohjelmassa oli teoreettisia pohdintoja, kokeita lähellä olevien mallien rakentamista ja havaintojen analysointia. Higgs nivookin yhteen useita hiukkasfysiikan ja kosmologian isoja kysymyksiä.

Higgsin kentän tunnetuin rooli lienee se, että se antaa massan kaikille tunnetuille hiukkasille (paitsi ehkä neutriinoille). Kun Higgsin hiukkanen (joka on kentän tihentymä) saatiin vuonna 2012 pitkän jahdin jälkeen kiinni, massojen mekanismista annettiin seuraavana vuonna Nobelin palkinto. Tämä oli kuitenkin vain välietappi, tutkimusmatka jatkuu.

Se, että hiukkasfysiikan Standardimallin hiukkaset vuorovaikuttavat Higgsin kentän kanssa, ja Higgsin kenttiä on vain yksi, on yksinkertaisin tapa antaa hiukkasille massa. Ennen Higgsin löytämistä oli pitkään tutkittu vaihtoehtoja, missä Higgsin kenttiä on useampia, niin että hiukkaset saavat massansa eri kentiltä. Näin käy esimerkiksi supersymmetrisissä malleissa. Toisaalta oli ehdotettu, että ehkä Higgs ei ole alkeishiukkanen, vaan koostuu muista hiukkasista, kuten protoni koostuu kvarkeista.

Tällaisia ideoita tutkitaan vieläkin tarkasti, ja konferenssissa käytiin läpi useita eri mahdollisuuksia. Niin teoriapuolen pohdinnat ja tarkasteluihin käytetyt ohjelmistopakkaukset kuin datatuotteet ja analyysin menetelmät ovat vuosien aikana hioutuneet tarkoiksi, mutta toistaiseksi vuosikymmenten työn tulos helppo tiivistää: mitään poikkeamia Standardimallista ei ole löytynyt.

Yksi ajankohtainen keskustelunaihe on se, millainen on seuraava hiukkaskiihdytin, joka porautuu Higgsin löytänyttä LHC:tä syvemmälle, minne se rakennetaan, millä aikataululla ja kenen rahoilla. Konferenssissa esiteltiin sitä, miten eri kiihdyttimet luotaisivat Higgsin ja muiden hiukkasten eri ominaisuuksia. Yhtenä perusteluna seuraavan sukupolven kiihdyttimille esitettiin, että ne pystyvät luotaamaan Standardimallia prosentin tarkkuudella, minkä suuruisia poikkeamia Standardimallista nykyiset mallit juuri ennustavat.

Perustelussa näkyy asialle omistautuneiden asiantuntijoiden näkökulmaharha: nykyiset mallit ennustavat prosentin suuruisia poikkeamia vain siksi, että isommat olisi jo nähty LHC:ssä. Vastaavasti edellisen sukupolven mallit ennustivat juuri sen suuruisia poikkeamia, mitä edelliset kiihdyttimet eivät olisi nähneet, mutta jotka olivat LHC:n ulottuvilla.

Oli erinomaisen perusteltua odottaa, että LHC löytää Higgsin hiukkasen (tai jotain eksoottisempaa), mutta sitä pidemmälle ei ole takeita. Nyt liikutaan avomerellä vailla tietoa siitä, koska maata löytyy, mutta on tietysti lohdullista ajatella, että huomenna horisontissa kajastaa uusi maailma. Tämä ei tarkoita sitä, etteikö kiihdyttimiä kannattaisi rakentaa: tuntemattomilla vesillä voi tehdä odottamattomia löytöjä, mutta on syytä olla rehellinen ehdotusten perusteista.

Tässäkin konferenssissa näkyi se trendi, että kaiken teoriasta ja huipulta alas rakennetuista yhtenäisteorioista puhutaan entistä vähemmän. Enemmän keskitytään rakentamaan tunnetulta pohjalta ylöspäin, ja katsomaan mitä tunnettujen asioiden läheisyydestä voisi löytyä.

Toinen selvä trendi on kosmologian nousu. Higgs voi olla vastuussa kosmisesta inflaatiosta, joka synnytti galaksien ja kaiken muun rakenteen siemenet. Vaikka näin ei olisi, Higgsin käytökseen varhaisessa maailmankaikkeudessa liittyy kiinnostavia kysymyksiä, kuten se, onko tyhjä avaruus vakaa vai voiko maailmankaikkeus tuhoutua noin vain.

Higgsiin liittyvän kosmologian tutkiminen on hyvä esimerkki siitä, miten ideat kulkeutuvat fysiikan alueilta toisille ja pölyttävät tutkijoita. Monia Higgsin kosmologiaan liittyviä aiheita ruvettiin tutkimaan vasta 2000-luvulla Higgsin hiukkaskiihdytintutkimuksen kehityksen myötä. Kyse ei niinkään ole siitä, että kiihdyttimet olisivat kertoneet tärkeää uutta tietoa: sitäkin oli, mutta enimmäkseen kaikki tarpeellinen tiedettiin jo 1980-luvulla. Tärkeämpää oli se, että kun Higgsistä puhuttiin ja vaihdettiin ideoita, niin siihen liittyviä kysymyksiä tultiin miettineeksi tarkemmin.

Yksi kosmologinen aihe, jota on tutkittu jo pitkään, on se, meneekö aineen ja antiaineen välisen epäsymmetrian alkuperä sekin Higgsin piikkiin. Kirjoitan tästä kiehtovasta mahdollisuudesta ehkä myöhemmin tarkemmin, tässä vain pikainen katsaus. Muinaisina aikoina Higgsin kentällä ei ollut erityistä suuntaa: kuten nestemäinen vesi, se oli samanlainen kaikissa suunnissa. Kun maailmankaikkeus oli sekunnin miljardisosan ikäinen, lämpötila laski niin alhaiseksi (miljoona miljardia astetta), että Higgsin kenttä jäätyi tiettyyn asentoon. Jäätyminen alkaa eri paikoissa eri aikaan, joten jäätyneet alueet muodostavat kuplia, jotka hiljalleen täyttävät koko avaruuden. Jos tämä tapahtuu tarpeeksi äkillisesti ja väkivaltaisesti, niin tapahtumassa saattaa syntyä enemmän hiukkasia kuin antihiukkasia. Kuplien törmätessä voi myös syntyä gravitaatioaaltoja, jotka taivaalle 2030-luvulla nouseva LISA-satelliitti voisi havaita.

Standardimallisssa Higgs kuitenkin jäätyy leppoisasti, niin että ei synny merkittävissä määrin antimaterian ja materian epäsuhtaa eikä gravitaatioaaltoja. Monissa Standardimallin laajennuksissa on toisin, ja asiaa voi ajatella myös niin, että jos LISA näkee tällaisia gravitaatioaaltoja, tämä olisi selvä merkki uudesta fysiikasta. Onkin kiinnostavaa, miten erilaisin tavoin hiukkasfysiikkaa nykyään luodataan: taivaalla kulkevat aika-avaruuden häiriöt voivat kertoa samasta asiasta kuin maanalaisten kiihdytinten törmäyksissä syntyvät hiukkaset.

---

Maxwellin tiimalasi

15.5.2019 klo 22.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Luin Ari Tervashongan gradun Fysiikan referenssiraamin muutos: maxwellilaisen eetterihypoteesin teoriaperinne vuosina 1879–1916. Tämä kiinnostava opinnäytetyö käsittelee nimensä mukaisesti eetteriteorioiden kehitystä sähkömagnetismin kehittäjän James Clerk Maxwellin kuoleman ja yleisen suhteellisuusteorian löytämisen välisenä aikana. Eetteriteorialla ei ole merkitystä nykyfysiikalle mitä sisältöön tulee, mutta sen historia valaisee joitakin piirteitä tieteellisten ideoiden kehityksessä.

Niin fysiikan oppikirjoissa ja kursseilla kuin suurelle yleisölle suunnatuissa kirjoituksissa yleensä esitetään fysiikan kehityksestä yksinkertaistettu versio, missä on karsittu harhapolut ja keskitytään oikeisiin ratkaisuihin. Tämä auttaa ymmärtämään fysiikan teorioiden sisältöä, mutta voi hämärtää käsitystä siitä, miten teorioita kehitetään. Kuten Tervashonka kirjoittaa, tutkimuksen eteneminen ei koostu yksinkertaisista ongelma-ratkaisu-pareista, jotka seuraavat toinen toistaan. Enemmän kuin suoraa punosta, fysiikan kehitys muistuttaa verkkoa, joka kasvaa eri suuntiin, ja jonka osista suurin osa kuihtuu tarpeettomina pois vailla kosketusta todellisuuteen.

Maxwell tunnetaan siitä, että hän löysi sähkön ja magnetismin yhtenäisteorian, sähkömagnetismin. Sen merkitys sekä myöhemmälle fysiikalle että teknologisille sovelluksilla on mittaamaton. Sähkömagnetismi ennusti näkymättömän valon, eli radioaallot, infrapunasäteilyn ja niin edelleen, ja antoi alustan sähköisten ilmiöiden ymmärtämiselle – molemmilla on nykyteknologiassa keskeinen rooli. Se oli myös ponnistuslauta niin suppealle suhteellisuusteorialle, ja siten yleiselle suhteellisuusteorialle, kuin kvanttikenttäteoriallekin – eli molemmille tällä hetkellä perustavanlaatuisille teorioille.

Melko vähän muistetaan sitä, että Maxwell itse hahmotti sähkömagneettiset ilmiöt eetterin kautta. Kun valon ymmärrettiin olevan sähkömagneettista aaltoliikettä, heräsi kysymys minkä aaltoilusta oikein on kyse. (Tarkemmin asiasta täällä.) Jo aiemmin käytössä ollut käsite eetteri valjastettiin tähän rooliin. Eetterin ajateltiin olevan näkymätöntä ainetta, joka täyttää avaruuden kaikkialla ja vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa, saaden aikaan kaikki sähkömagneettiset ilmiöt ja lämmön.

Maxwellin sähkömagnetismin menestyksen myötä eetterinkin suosio kasvoi. Tervashonka vertaa eetteriteorioiden kehitystä tiimalasiin, jonka uuma on Maxwellin teoria. Ennen Maxwellia oli kaikenlaisia malleja eetteristä, Maxwellin jälkeen suuri osa niistä karsiutui, ja eetteriteorioita rakennettiin lähinnä Maxwellin löytöjen ja ideoiden päälle.

Maxwell oli selittänyt sähkömagnetismia eetterin mekaanisten ominaisuuksien, kuten vieterien ja rattaiden avulla. Tervashongan mukaan Maxwell kuitenkin näki tällaiset ideat vertauskuvallisina tapoina hahmottaa uudenlaista fysiikkaa, eikä halunnut ottaa niitä turhan kirjaimellisesti. Maxwellin sähkömagnetismin teoriassa ei mitään eetteriä tarvitakaan.

Tämä on esimerkki siitä, miten perusteiltaan virheelliset ideat voivat joskus olla hyödyllisiä oikeiden selitysten löytämisessä, kun osaa pitää erillään rakennustelineet ja rakennuksen – ja kun käytössä on uusia havaintoja. Niels Bohrin vuonna 1913 esittämä atomimalli, missä elektronit kiertävät ydintä tiukoilla radoilla on toinen vastaava tapaus, missä yksityiskohdat ovat täysin väärin, mutta ydin ja havaintojen kuvailu oikea.

Maxwellin jälkeen tieteilijät kuitenkin yrittivät ymmärtää eetterin koostumusta sekä selittää havaintoja suoraan eetterimallien avulla, sen sijaan että olisivat vain käyttäneet mekaanisia vertauskuvia apuna niistä riippumattomien teorioiden rakentamiselle. Tämä oli umpikuja, ja ristiriitaisten ideoiden avulla päädyttiin usein selittämään sitä, miksei eetteriä oltu havaittu sen sijaan, että olisi onnistuneesti ennustettu havaintoja ja löydetty uusia ilmiöitä. Toisaalta tämä antoi lukuisia tilaisuuksia kehittää eetterille uudenlaisia ominaisuuksia selitykseksi sille, miksi sitä ei havaittu.

Nykynäkökulmasta eetteritutkimus näyttää hedelmättömältä. Tervashonka kuitenkin muistuttaa, että monet eetteriä tutkineet fyysikot olivat alansa huippua. Hän toteaa, että ideaa ei hylätty vaikeuksienkaan edessä, koska se olisi ollut vielä vaikeampaa kuin jatkaminen. Jos ei ole hyviä ideoita, on pakko käyttää huonoja. Vaihtoehtona olisi myöntää, että ei pääse enää eteenpäin jonkun asian tutkimisessa ja siirtyä tutkimaan jotain muuta. Vaikeutta tuskin vähensi se, että eetterin avulla haluttiin selittää lähes kaikki fysikaaliset ilmiöt. Se, että teorian ennusteet ovat pielessä (tai se ei ennusta mitään) ei riitä sen hylkäämiseen. Kuten yleensä, teoria hylättiin vasta kun keksittiin parempia selityksiä, osittain uusien havaintojen kautta.

Eetteriteorioiden loppuun vaikutti merkittävästi kaksi tapahtumaa. Ensinnäkin Albert Einsteinin esittämä suppea suhteellisuusteoria vuonna 1905 ratkaisi kaikki Maxwellin sähkömagnetismin ja Newtonin mekaniikan väliset ongelmat (muuttamalla jälkimmäistä), joilla oli motivoitu eetterin tutkimista. Toisekseen sähkövirtaa kuljettava elektroni löydettiin, minkä jälkeen sähkön selittämiseen ei tarvittu eetteriä. Kuten Tervashonka toteaa, teorioista luopuminen oli kuitenkin hidasta ja tapahtui eri tahtiin eri paikoissa. Elektronikin liitettiin ensin osaksi eetterimalleja, ja jotkut puolustivat eetteriteoriaa vielä 20 vuotta suppean suhteellisuusteorian löytämisen jälkeen.

Ratkaisevana tekijänä mainitaan usein Michelsonin ja Morleyn vuoden 1887 koe, joka ei löytänyt eetterituulta ja vahvisti epäilyksiä eetterin olemassaolosta. Tervashongan mukaan eetteriä kuitenkin puolustettiin kokeen jälkeen entistä vahvemmin. On vaikea olla vertaamatta tällaista suhtautumista viime vuosikymmenten tutkimukseen säieteoriasta kaikkien vuorovaikutusten yhtenäisteoriana, jota jatketaan teoreettisen edistyksen, ennusteiden ja kokeellisen näytön puutteesta huolimatta. Osa säieteoriayhteisöstä on reagoinut samalla tavalla siihen, että CERNin LHC-kiihdytin ei ole nähnyt merkkejä supersymmetriasta. Kummassakin tapauksessa teoriasta ei ole yhtä kiinnitettyä muotoilua, vaan erilaisia versioita. Jotkut niistä ennustavat, että kokeessa pitäisi näkyä tietynlainen signaali, toisten mukaan mitään ei pitäisi nähdä. Niinpä jos sopivia merkkejä olisi nähty, se olisi tukenut teoriaa, mutta niiden puute ei kumoa teoriaa.

Eetterin historiasta ei voi päätellä mitään siitä, onko säieteoria oikein, mutta se muistuttaa, miten kärkitutkijoiden hartaudella kehittämät kokonaiset viitekehykset voivat olla väärin, ja että ilman uusia havaintoja on vaikea löytää oikeita kysymyksiä, saati vastata niihin.

Toismaailmallinen arki

29.4.2019 klo 13.20, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Gravitaatioaaltoja kuuntelevien laitteiden LIGO ja Virgo kolmas havaintokausi alkoi huhtikuun 1. päivä. Toinen kausi päättyi vuoden 2017 elokuussa, ja laitteita päivitettiin puolitoista vuotta herkkyyden kasvattamiseksi. Gravitaatioaallot ovat sitä heikompia mitä kauempana niiden lähde on. Toisin sanoen mitä tarkempi laite on, sitä kauempaa se naaraa maailmankaikkeutta.

Kahdeksan kuukautta kestäneellä toisella havaintokaudella LIGO/Virgo näkivät kahdeksan gravitaatioaaltoa, noin yhden kuukaudessa. Nyt kuukaudessa on saatu haaviin jo viisi mahdollista havaintoa, noin yksi viikossa. Kolmannen kauden on määrä kestää ainakin vuoden, joten luvassa on kymmeniä havaintoja mustien aukkojen törmäyksistä, varmaan myös neutronitähtien törmäyksistä, ja kenties nähdään uudenlaisiakin signaaleja.

Varaus ”mahdollinen” yllä liittyy siihen, että LIGO/Virgo on alkanut ilmoittaa havainnoista nopeasti, ennen kuin niiden tulkintaa on täysin varmistettu. Tarkoituksena on, että muut koeryhmät voivat suunnata teleskooppinsa oikeaan kohtaan taivasta mahdollisimman pian etsiessään gravitaatioaallot synnyttäneessä törmäyksessä ja sen jälkimainingeissa syntynyttä valoa ja muuta sähkömagneettista säteilyä. Toistaiseksi sellaista on nähty vain kerran, lokakuussa 2017, kun havaittiin (luultavasti) kahden neutronitähden törmäys räväkästi gravitaatioaaltojen lisäksi gammasäteillä, näkyvällä valolla, röntgensäteillä ja radioaalloilla. Mustien aukkojen törmäyksistä ei odoteta syntyvän havaittavissa määrin sähkömagneettista säteilyä.

LIGOn/Virgon ilmoitukset mahdollisista gravitaatioaalloista ovat julkisia. On jopa tehty ilmainen sovellus, jolla voi saada niistä puhelimeensa viestin yhtä aikaa tiedeyhteisön kanssa.

Olen kirjoittanut siitä, miten gravitaatioaaltojen kasvava määrä mahdollistaa uudenlaista tietoa antavan tilastollisen tarkastelun ja auttaa muun muassa selvittämään, ovatko mustat aukot syntyneet tähtien romahduksessa vai onko niiden taustalla sen sijaan kosminen inflaatio tai muu muinaisen maailmankaikkeuden ilmiö. Mutta mustien aukkojen gravitaatioaaltojen arkistuminen tuntuu merkitykselliseltä muutenkin kuin tulevia tieteellisiä tuloksia ajatellen.

Muutama vuosikymmen sitten ajatus siitä, että voi saada mukana kantamaansa pieneen levyyn missä tahansa päin Maata, tai vaikka kilometrien korkeudessa ilmassa, lähes reaaliaikaisia tiedotteita siitä, että Maapallon läpi pyyhkäisee miljardisosan miljardisosan tuhannesosan suuruisia värähtelyitä, jotka ovat peräisin kymmenien, satojen tai tuhansien miljoonien valovuosien päässä menneisyydessä tapahtuneista mustien aukkojen törmäyksistä olisi vaikuttanut epärealistisen scifistiseltä jopa vuoden 2020 tienoilla.

Sata vuotta sitten, kun yleisen suhteellisuusteorian ensimmäistä ennustetta valon taipumisesta testattiin, välineet mustien aukkojen tieteen ymmärtämiseen olivat uusia, mutta niiden havaitsemiseen ja siitä kertomiseen käytetty teknologia olisi tuntunut niin uskomattomalta, että siitä hädin tuskin uskaltaisi unelmoida.

Muutama vuosisata sitten koko asia mustista aukoista, gravitaatioaalloista sekä näkymättömään valoon ja sähköön pohjaavista kämmenen kokoisista viestimistä, jotka on koottu metallista, lasista ja muovista, ja jotka viiveettä välittävät tietoa ympäri maailmaa olisi ollut käsityspiirin ulkopuolella. Kukaan ei tuolloin pystynyt kuvittelemaan nykyelämämme arkisia teknologisia piirteitä sähköstä ja tietokoneista lähtien, saati tieteen paljastamaa epäinhimillistä totuutta maailmasta. Kun ei ollut viitekehystä tällaisten asioiden ymmärtämiseen, edes niiden reunoja ei olisi voinut hahmottaa muuten kuin epäjärjestelmällisen taikuuden tai irrallisten ihmeiden kautta.

Koska asioita hahmotetaan suhteessa toisiinsa ja tiede sekä teknologia kasvavat kanssamme samaa tahtia, taianomaisten tapahtumien tulo todeksi ei ole saanut elämäämme tuntumaan toismaailmalliselta, vaan se on muuttanut ihmeellisen arkiseksi. Ihmetyksen tunne vaatii pysähtymistä ja vertailukohdan hakemista jokapäiväisen ulkopuolelta, menneisyyden ottamista kiintopisteeksi kuin tähtitaivaan, jonka etäinen vieraus asettaa maanpäällisen elämän eri mittoihin.

---

Marssi ja päivät

18.4.2019 klo 15.48, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Puhun lauantaina 4.5. joskus kello 13-15 välillä tiedemarssilla Tiedekulmassa omasta tutkimuksestani, sen merkityksestä ja tieteen merkityksestä yhteiskunnalle yleensä. Sanonpa muutaman sanasen tiedemarssinkin merkityksestä. Kokoontuminen tiedemarssille alkaa kello 11.30.

Puhun lauantaina 24.8. kello 13.00-13.45 Kuopion tieteen päivillä osana Kuopio juhlii -tapahtumaa otsikolla ”Rohkeus ja rakenteet – miksi on turhaa etsiä seuraavaa Einsteinia”. 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.

Äärimmäisyyden reunalta

12.4.2019 klo 21.49, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Keskiviikkona Event Horizon Telescope (EHT) -tutkimusryhmän ottama kuva galaksin M87 mustan aukon tapahtumahorisontin liepeiltä levisi kulovalkean tavoin ympäri maailmaa. Tämä oli historiallinen hetki, ensimmäinen kerta kun ihmiskunta on nähnyt valon läheltä yleisen suhteellisuusteorian ennustamaa viimeistä rajaa. Valokuva tuotiin julki sata vuotta sen jälkeen kun ensimmäinen havainto valon taipumisesta varmisti yleisen suhteellisuusteorian. Mustien aukkojen salaperäinen maine ja säväyttävä kuva aiheuttivat samanlaisen innostuksen kuin Higgsin hiukkasen löytäminen vuonna 2012 ja gravitaatioaaltojen suora havaitseminen vuonna 2016.

Kurkistan tässä kuvan taakse ja hahmottelen mitä se meille kertoo. EHT:n tiivistelmäartikkeli löytyy täältä, ja EHT:n suomalaisen jäsenen Tuomas Savolaisen kokemuksesta voi lukea täällä.

EHT-ryhmä teki havainnot ympäri Maapalloa sijaitsevilla teleskoopeilla viime vuoden 2017 huhtikuussa. Kirjoitin aiheesta viime toukokuussa, jolloin arveltiin, että kuva olisi valmis viime vuoden loppuun mennessä. EHT on teleskooppien verkosto, ja jokainen sen teleskooppien pari näkee pienen siivun taivasta. Näiden kuvien puhdistaminen, analysoiminen ja yhdistäminen sekä väliin jäävien alueiden täyttäminen todennäköisimmällä kuvanjatkeella kesti hieman odotettua kauemmin.

Galaksi M87 on 55 miljoonan valovuoden päässä, eli kosmologisesti ajateltuna samassa korttelissa. M87 on lähitienoon massiivisin galaksi, ja sen keskellä mollottava kuuden miljardin Auringon painoinen musta aukko on niin ikään naapuruston isoin. Keskustasta pursuaa 200 000 valovuotta pitkä hiukkassuihku, joka havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1918. Tällaiset valtavat suihkut syntyvät kun aine syöksyy mustaan aukkoon kierteessä kuin vesi kylpyammeen aukkoon. Aineen pyöriessä kehittyy vahvoja magneettikenttiä, jotka kiihdyttävät hiukkasia korkeisiin energioihin. Varhaisessa maailmankaikkeudessa mustiin aukkoihin virtaa ainetta vuolaana koskena. Tämä synnyttää erittäin voimakkaita suihkuja, ja tällaiset mustat aukot tunnetaan nimellä kvasaari. Kvasaareja on mitattu satojatuhansia, mutta ne ovat liian kaukana, jotta kiekoista saisi selvää.

Galaksin M87 hiukkassuihku on hillitympi, mutta sen perusteella odotettiin, että mustaa aukkoa kiertävästä ainekiekosta saataisiin viimein kuva. Tässä ei jouduttu pettymään. Kuvan valodonitsi syntyy elektroneista, jotka kiertävät mustan aukon nielua lähes valonnopeudella miljardin asteen lämpötilassa ennen suistumistaan nieluun. Donitsin paksuus kuvassa johtuu teleskooppien erotuskyvyn rajoituksista: kiekko on huomattavasti ohuempi kuin miltä näyttää. Alapuoli on kirkkaampi, koska siellä elektronit liikkuvat meitä kohti.

Kuvassa näkyvä tumma keskus on nimetty ”mustan aukon varjoksi”. Koska musta aukko ei käytännössä lähetä eikä heijasta säteilyä (Hawkingin säteily on aivan liian heikkoa havaittavaksi), se näyttäytyy tummana alueena kirkkauden keskellä. Toisin kuin miltä kuvasta saattaa näyttää, keskusta ei itse asiassa ole täysin musta, sen kirkkaus on noin 10% kiekon kirkkaudesta. Tämä on odotettavissa ensinnäkin siksi, että musta aukko taivuttaa valoa niin että sen taakse voi nähdä. Toisekseen, mikä tärkeämpää, EHT:n erotuskyky ei aivan riitä keskustan erottamiseen ympäristöstä, joten kiekon kirkkaus tuhraantuu vähän sisemmällekin.

Galaksin M87 keskustan musta aukko on noin Aurinkokunnan kokoinen, kuten sarjakuva xkcd havainnollistaa. 55 miljoonan valovuoden etäisyydeltä se näyttää kuitenkin pieneltä kuin soranjyvä Atlantin takana. EHT:n erotuskyky on vähän keskustan mustaa aluetta huonompi. Mustan aukon ympärillä oleva alue, josta valo päätyy aukkoon, on puolestaan noin 2.6 kertaa tapahtumahorisontin kokoinen. On kutkuttavaa päästä näkemään näinkin lähelle tapahtumahorisonttia, ja EHT on tekninen taidonnäyte. Tuhansien kilometrien päässä olevien teleskooppien etäisyys pitää tuntea millimetrin tarkkuudella, ja ne keräsivät dataa samaa tahtia kuin CERNin LHC-kiihdyttimen kaikki kokeet yhteensä, 32 PB (eli 32 miljoonaa gigabittiä) sekunnissa.

Tieteellisesti tästä ensimmäisestä havainnosta ei kuitenkaan opittu paljon. EHT-ryhmä teki 43 kappaletta simulaatioita erilaisista kertymäkiekoista mustan aukon ympärillä, joissa huomioitiin yleisen suhteellisuusteorian kaikki hienoudet, mutta EHT:n erotuskyvyllä ne näyttävät melkein kaikki jokseenkin samalta. Asian voi ilmaista myös niin, että mallit ovat hyvin ennustusvoimaisia: jos havainnot olisivat näyttäneet jotain muuta, sitä olisi ollut vaikea selittää säätämällä kiekon yksityiskohtia. Mutta nyt ei nähty mitään odotuksista poikkeavaa.

Mustien aukkojen tapahtumahorisontin läheisyydestä tehdyillä havainnoilla voi testata yleisen suhteellisuusteorian ennusteita. Tämän ensimmäisen havainnon antamat rajat ovat kuitenkin hyvin heikkoja. Toistaiseksi voidaan sanoa vain, että mustan aukon pyörimisestä aiheutuva gravitaatiokentän poikkeama pallosymmetriasta voi olla korkeintaan neljä kertaa niin iso kuin mitä suhteellisuusteoria ennustaa. Näillä havainnoilla ei voida sulkea pois moniakaan vaihtoehtoja mustille aukoille.

Vaikka EHT-ryhmä summaa muuttaneensa tapahtumahorisontin ”matemaattisesta käsitteestä fyysiseksi olioksi jota voi tutkia toistuvilla tähtitieteellisillä havainnoilla”, mustien aukkojen törmäyksistä syntyneiden gravitaatioaaltojen havaitseminen on jo antanut tarkempia rajoja mustien aukkojen ominaisuuksille. Ryhmä on kuitenkin oikeassa siinä, että se on avannut mahdollisuuden tutkia samoja mustia aukkoja useampia kertoja yhä tarkemmin, siinä missä gravitaatioaallot kiitävät ohi valonnopeudella.

Lähitulevaisuudessa sopii odottaa tietoa kiekon valon polarisaatiosta, nyt julkaistiin vasta data valon kirkkaudesta. Polarisaatio kertoo kiekon magneettikentästä. Lisäksi on luvassa kuva EHT:n toisesta kohteesta, Linnunradan keskustan mustasta aukosta. Se on vaikeampi  nähdä, koska Linnunradan keskustassa ja matkalle sinne on kaikenlaista roskaa. Lisäksi Linnunradan mustan aukon ympäristö muuttuu nopeammin kuin galaksin M87 mustan aukon ja on siksi vaikeammin kuvattava.

Kuten ensimmäinen suora havainto gravitaatioaalloista, ensimmäinen valokuva mustasta aukosta on enemmän lupaus tulevasta kuin itsessään mullistava löytö.

Päivitys (16/04/19): Havaintojen vuosi korjattu.

---

Yhtenäisyyden kuorimista

7.4.2019 klo 18.50, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehteen Rihveli 1/2019 artikkelin kvanttigravitaatiosta otsikolla Yhtenäisyyden kuorimista. Sen viimeinen kappale on tämä:

Inflaation kautta olemme jo saaneet käsityksen siitä, mitä maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla tapahtui ja hahmottaneet, että kaikki näkemämme –tähdet, planeetat, DNA, ihmiset, koko inhimillinen kulttuuri– on lähtöisin sattumanvaraisista kvanttivärähtelyistä. Kokonaisen kvanttigravitaatioteorian, saati kaiken teorian, löytäminen luultavasti myllertäisi käsityksemme kosmisesta historiasta vielä perinpohjaisemmin, ja asettaisi ajan, avaruuden ja aineen aivan uuteen valoon. Toistaiseksi vuoren huippu on sumun peitossa, eikä tiedetä mikä polku sinne vie.