Tieteellisten lehtien tulevaisuus täällä tänään
Kirjoitin overlay-lehteen Open Journal of Astrophysics blogitekstin tieteellisen julkaisemisen kriisistä. Kirjoitin samasta aiheesta lyhyemmän tekstin Twitterissä (helpommin luettava versio täällä). Olen kirjoittanut aiheesta suomeksi täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä; muutaman vuoden takainen puheeni asian tiimoilta löytyy täältä.
Blogitekstin ingressi on tämä:
The bad news: the scientific community can no longer afford commercial science journals.
The good news: the scientific community no longer needs commercial science journals.
The bottom line: open internet archives and overlay journals are the solution.
Lyhyesti sanottuna:
We do not need to reform the business model of scientific journal publishing, we have to abandon it.
2 kommenttia “Tieteellisten lehtien tulevaisuus täällä tänään”
Vastaa
Alas huipulta
Sain tietää, että edellisessä merkinnässä kommentoimani Ylen artikkeli antiuniversumiin liittyvästä spekulaatiosta on saanut poikkeuksellisen paljon huomiota: sillä on yli 120 000 klikkausta ja tekstistä on luettu keskimäärin 75% (miten tämä sitten onkaan arvioitu). Vastasin jatkojutussa (ilmestynee pian julkaistu täällä) lukijoiden kysymyksiin aiheen tiimoilta.
En tiedä pitäisikö jutun suosion palauttaa vai horjuttaa uskoani tiedejournalismiin, mutta se sai minut miettimään fyysikoiden suhdetta teoreettisiin kehitelmiin.
Ehdotus antimaailmankaikkeudesta lienee herättänyt mielenkiintoa suuren yleisön parissa, koska idea tuntuu hurjalta, mutta siitä on helppo saada kiinni. Tutkijat hahmottavat oman alansa teorioita eri tavalla, eikä tämä Boylen, Finnin ja Turokin spekulaatio ole teoreettisen kosmologian kannalta kovin hurja. Se on tunnetun fysiikan yksinkertainen jatke, johon ei liity uudenlaisia matemaattisia rakenteita, eikä se tarjoa entistä parempaa vastausta ongelmiin.
Ihmetyksen tuntua herättävät sen sijaan teoriat, joissa todellisuuden alta paljastuu uudenlainen matemaattinen rakenne, jossa vanha tieto asettuu uuteen valoon ja joka ratkaisee nykyisiä ongelmia. Kyse ei ole niinkään siitä, minkälaisia teorian kuvaamat ilmiöt (olivatpa ne vaikka ylimääräisiä maailmankaikkeuksia) ovat, vaan siitä, millaisia sen lait –muodot muotojen takana– ovat.
Tämä on avain siihen, miksi säieteoria (hitaan alun jälkeen) otettiin 1980-luvulla haltioituneesti vastaan. Teoriassa oli aivan uudenlainen matemaattinen rakenne. Sen ristiriidattomuus vaikutti yllättävältä, kuten myös se, että teoria tuotti uusista lähtökohdista samankaltaista fysiikkaa kuin mitä jo tunnettiin, mennen kuitenkin entistä tietoa kauemmas. Säieoria ei ole lunastanut suuria lupauksia, mutta sen arvostus on jatkunut pitkälle, vaikka onkin hiipumaan päin. (Esimerkiksi nykyään kuulee letkautuksia siitä, tutkitaanko jotain asiaa ”tosimaailmassa vai säieteoriassa”.)
Muistan miten avartavalta tuntui fysiikkaa opiskellessa tutustua ensin klassiseen mekaniikkaan ja sähkömagnetismiin, sitten kvanttimekaniikkaan, suppeaan ja yleiseen suhteellisuusteoriaan, kvanttikenttäteoriaan, supersymmetriaan, supergravitaatioon ja lopulta säieteoriaan. Jokainen teoria rakentui edellisten pohjalle, sisälsi ne ja ylitti ne. Teorioiden lähtöoletukset osoittautuivat seurauksiksi yhä perustavanlaatuisemmista ja kauniimmista laeista. Esimerkiksi Newtonin toinen laki (kiihtyvyys on verrannollinen voimaan) seuraa yleisessä suhteellisuusteoriassa siitä, että kaikki tavat luetteloida aika-avaruuden pisteitä ovat yhtä päteviä.
Opinnot olivat kuin kiipeämistä yhä korkeammalle, kohti hienosyisempää ymmärrystä todellisuudesta. Pidemmälle kehiteltyjen teorioiden hahmottaminen vaati myös kehittyneempien matemaattisten työkalujen opettelemista. Helposti arvostaa sitä, mikä on ymmärryksen rajoilla ja mikä on vaikeaa, ja teoreettiset rakennelmat saattavat herättää ihailua siksi, että niissä käytetty matematiikka on vaativaa.
Vuoren huipulle päästyä vaikutelma voi kääntyä uskomukseksi siitä, että oma hahmotuskyky on kirkkaampi kuin niiden, jotka pelaavat karkeammalla kädellä. Hiukkasfysiikkaa läheisenä ulkopuolisena seurannut fyysikko Philip Anderson kirjoitti vuonna 2011 kirjassaan More and Different: Notes from a Thoughtful Curmudgeon, että ”kvanttikenttäteoria on magneetti häikäilemättömän loistaville, ylimielisille, elitistisille nuorille miehille”. Hän oli myös sitä mieltä, että alan on pelastanut ”narsistiselta jämähtämiseltä” vain se, että sen harjoittajat ovat usein niin älykkäitä, että heidän mielensä on avoin.
Andersonin arvio oli sikäli huonosti ajoitettu, että teoreettinen hiukkasfysiikka vaikuttaa 2000-luvulla jääneen polkemaan paikalleen. Erityisesti maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen selitykseksi hinatun multiversumi-idean suosio vaikuttaa perustuvan osittain ajatteluun, että jos me emme ole keksineet ratkaisua johonkin ongelmaan, niin ratkaisua ei ole olemassa. Ehkä aiempina vuosikymmeninä hiukkasfyysikoita ei pelastanut heidän avomielisyytensä, vaan virta koetuloksia, joka auttoi teoreettisten ideoiden seulomisessa ja muotoilemisessa.
Pitkälle menevän matematiikan omaksuminen vaatii tiettyä älykkyyttä, mutta matemaattisesti hienostuneempien mallien kanssa työskentely ei tarkoita sitä, että on fiksumpi, vain sitä, että on opetellut käyttämään erikoistuneempia työkaluja. Fysiikan kannalta on kuitenkin oleellista, mitä työkaluilla saa aikaan.
Rakastan yhä teoriaa, mutta olen hiljalleen oppinut arvostamaan myös kokeellisten fyysikoiden ja havaitsijoiden taitoja ja saavutuksia. Hiukkaskosmologian suurimmat edistysaskeleet viimeisten 30 vuoden aikana ovatkin tulleet havainnoista, eivät teoriasta. Saa nähdä kauanko tämä jatkuu, ja koska teorian seuraava kerros saadaan kuorittua esiin.
Päivitys (03/02/19): Lisätty linkki Ylen jatkojuttuun.
10 kommenttia “Alas huipulta”
-
Muistan tuon saman avartavan ketjun, paitsi että supersymmetriaa en ymmärtänyt, joten oma ketjuni päättyi siihen. Ihmettelin ja päädyin ajattelemaan että jos tuo on totta, niin sen keksijät ovat valtavan paljon itseäni fiksumpia.
Mutta niinhän se on että fysiikka on havaitseva tiede, ja kiihtyvästä laajenemisesta tuli juuri vähän lisää dataa, joka näyttäisi puoltavan että pimeän energian tilanyhtälö riippuisi ajasta, https://arxiv.org/abs/1811.02590 .
-
Syksy Räsänen sanoo:
Erittäin kiinnostava tulos, jos pitää paikkansa, mutta olen epäileväinen sen suhteen, miten hyvin kvasaarien etäisyydet tunnetaan (en tosin tunne heidän mainitsemaansa uutta metodiaa).
Ja löydön tilastollinen merkitys on arvioitu epäluotettavasti. Luotettavampaa olisi verrata joko goodness-of-fittiä (parametrien määrän huomioon ottaen) verrattuna vakioon tai bayesilaista evidenceä. Fittaamalla funktioita etäisyyteen ja katsomalla paljonko ne eroavat vakiosta voi päätyä virheellisiin johtopäätöksiin, kuten on pimeän energian suhteen huomattu.
-
-
aino sanoo:
Mielenkiintoinen kirjoitus. Kiinnostaisi tietää, mikä alan tutkijalle on teoreettisessa fysiikassa haastavinta? Oppiiko esimerkiksi matematiikkaa käyttämään niin sujuvasti, ettei varsinainen laskeminen enää tunnu vaikealta? Itselläni fysiikan opiskelu jäi siihen, kun yliopistossa huomasin sen sisältävän hyvin vähän olemisen pohdiskelua ja hirveästi integroimista.
-
Matematiikan käyttäminen on elimellinen osa fysiikan ajatteluprosessia – osa siitä on vaikeampaa, osa helpompaa. Vähän kuin kysyisi urheilijalta, onko työhön kuuluva fyysinen harjoittelu vaikeaa.
-
-
alex sanoo:
Miksi nykyään ei luennoida susy, sugra tai edes qft kaarevassa avaruudessa? Hiukkaspuolen kursseilla käydään samat asiat joka kurssilla, mutta eri kurssikoodilla Zzzz
-
Hyvin erikoistuneita kursseja ei luennoida säännöllisesti, mutta Esko Keski-Vakkuri on luennoinut kaarevan avaruuden kvanttikenttäteoriaa silloin tällöin. Voisi olla paikallaan sitä taas luennoida.
Ensi syksynä Javier Rubio luennoi inflaatioon erikoistuneen kurssi, jossa pääsee soveltamaan hiukkasfysiikkaa eri näkökulmasta – kaarevan avaruuden kvanttikenttäteoriaa siinäkin, vaikka yksinkertaisemmin kuin Keski-Vakkurin kurssilla.
-
-
Jussi Suutala sanoo:
Miten silmukkakvanttiteoriassa selitetään avaruuden laajentuminen?
-
Kysymys menee sen verta ohi merkinnän aiheesta, että ei siitä sen enempää.
-
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Ylös pohjalta
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Monta roolia avoinna
Vastaa
Eilispäivän rohkeutta
Yle julkaisi toissaviikolla uutisen, joka oli varustettu otsikolla Hurja teoria: Alkuräjähdys synnytti myös antimateriasta koostuvan antiuniversumin, jossa aika kulkee taaksepäin. Juttu käsittelee Latham Boylen, Kieran Finnin ja Neil Turokin kahta tieteellistä artikkelia viime maaliskuulta, joissa he esittivät idean pimeän aineen hiukkasesta ja vaihtoehdon kosmiselle inflaatiolle.
Minua haastateltiin juttuun: ingressissä lukee paikkansapitävästi, että en ”liputa puolesta eikä vastaan”. Boylen ja kumpp. ehdotus on saanut paljon huomiota mediassa: Yle viittaa PhysicsWorldin artikkeliin (joka saa, ihmeellistä kyllä, vapaan tahdon sotkettua soppaan). Niinpä ajattelin kirjoittaa hieman ehdotuksen taustoista ja laittaa sen jonkinlaiseen kehykseen.
Kosminen inflaatio on menestynein selitys varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumille. Sen mukaan maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin varhaisina murto-osina avaruuden laajeneminen kiihtyi. Kiihtyvä laajeneminen teki maailmankaikkeudesta tasaisen ja selittää, miksi se näyttää samanlaiselta kaikkialla. Inflaation loputtua siitä vastuussa oleva kenttä (ehkä Higgsin kenttä) hajoaa aineeksi. Tämä selittää kaiken aineen alkuperän. Inflaation aikaiset kvanttifluktuaatiot synnyttivät kenttään epätasaisuuksia, jotka aine perii. Tämä selittää maailmankaikkeuden kaiken rakenteen alkuperän yksityiskohtaisesti.
Boyle, Finn ja Turok ehdottavat, että kosmista inflaatiota ei tapahtunut. Sen sijaan he esittävät, että samalla kun maailmankaikkeutemme syntyi, syntyi myös toinen maailmankaikkeus, jossa aika kulkee vastakkaiseen suuntaan. Jossain mielessä tämä toinen maailmankaikkeus on siis menneisyydessämme ajassa ennen alkuräjähdystä. On kuitenkin ehkä havainnollisempaa sanoa, että kyseessä on erillinen maailmankaikkeus, joka on meissä kiinni alkuräjähdyksen kohdalla ja jossa aika menee eteenpäin, koska meillä ei ole mitään tapaa saada sieltä viestejä.
Yksi syy siihen ehdotuksen saamaan huomioon on varmaankin ajan taaksepäin kulkemiseen liittyvä scifistinen ihmetyksen tuntu. Ideasta voi saada kiinni ilman erityistuntemusta, mutta samalla se herättää tuntemuksia arjen tuolta puolen. (En ole itsekään viaton mitä scifiin tulee, käytettyäni televisiosarjasta Dr Who englanninkieleen tarttunutta termiä Tardis artikkelin otsikossa, helposti arvattavin seurauksin.)
Boylen ja kumpp. ehdotuksessa on muutama puute: toisin kuin inflaatio, se ei selitä miksi avaruus näyttää samanlaiselta kaikkialla ja tasaiselta, miten kaikki aine on syntynyt ja mistä maailmankaikkeuden rakenne on peräisin. Tämä inflaation vaihtoehtona markkinoitu idea ei siis selitä mitään niitä keskeisiä asioita, jotka inflaatio selittää, ja joista monet se on ennustanut. Poikkeuksena on pimeän aineen synty, josta Boyle ja kumpp. esittävät mielenkiintoisen (ja spekulatiivisen) idean. Esityksen ennusteet liittyvätkin lähinnä pimeään aineeseen, jonka he esittävät koostuvan paljon tutkitusta ehdokkaasta, steriileistä neutriinoista.
Kyseessä ei siis ole inflaatiolle vaihtoehtoinen teoria, vaan hahmotelma, josta voidaan kenties kehittää toimiva vaihtoehto – tai sitten ei. Boyle ja Turok lupaavat palata keskeisiin kysymyksiin piakkoin. On tavallista ja ymmärrettävää, että kun esittää vaihtoehtoisen tavan tehdä jotain, ei pysty heti selittämään kaikkea yhtä perusteellisesti kuin mitä sadat tutkijat ovat vuosikymmeniä tunnettuja ideoita syynäämällä tehneet. Ideoiden kypsytteleminen tarvitsee usein aikaa.
Boylen ja kumpp. ehdotus ei kuitenkaan tule täysin puskasta. Idealla alkuräjähdyksen tuolla puolen olevasta toisesta maailmanajasta on pitkä historia. Säieteorian kehittäjiin kuuluva Gabriele Veneziano esitti vuonna 1991, että ennen alkuräjähdystä oli olemassa meidän maailmankaikkeudellemme tietyssä mielessä vastakkainen maailmankaikkeus.
Tämän pre-big bang -skenaarion mukaan maailmankaikkeus ensin romahti äärettömän kauan, kunnes romahdus pysähtyi ja maailmankaikkeus rupesi laajenemaan. Nytkähdys romahduksesta laajenemiseen on se, mitä olemme pitäneet alkuräjähdyksenä.
Pre-big bang -skenaario oli aito vaihtoehto inflaatiolle. Sen mukaan maailmankaikkeuden rakenteen siemenet syntyivät pitkän romahduksen aikana, ja se ennusti millaisia ne ovat. Valitettavasti ennuste ei vastannut 90-luvun kuluessa tehtyjä tarkkoja havaintoja kosmisesta mikroaaltotaustasta ja galaksien jakaumasta taivaalla. Esitettiin erilaisia tapoja tilanteen korjaamiseksi. (Sattumoisin ehkä oivaltavimman ehdotuksen esittivät Kari Enqvist ja hänen ohjauksessaan samaan aikaan kanssani väitöskirjaa tehnyt huonetoverini Martin Sloth.) Idean toinen heikko kohta oli kääntyminen romahduksesta laajenemiseen. Yleisessä suhteellisuusteoriassa alkuräjähdyksestä ei voi jatkaa taaksepäin: säieteoriassa se voi olla mahdollista, mutta asiaa ei saatu selitettyä tyydyttävästi.
Seuraava kehitysvaihe alkoi vuonna 2001, jolloin jatko-opiskelija Justin Khoury, säieteoreetikko Burt Ovrut ja kosmologit Paul Steinhardt ja Neil Turok esittivät uuden vaihtoehdon inflaatiolle, jonka he nimesivät stoalaisesta filosofiasta poimimallaan termillä ekpyroottiseksi skenaarioksi. (Sattumoisin tein Kari Enqvistin ja Esko Keski-Vakkurin ohjauksessa väitöskirjan tämän ehdotuksen tiimoilta.) Idea sai julkisuutta lehdistössä siinä määrin, että inflaatiota kehittänyt ja reviiriään terhakkaasti puolustava Andrei Linde lohkaisi sen olevan ”huono idea, josta pitävät vain journalistit”.
Ensin ajatuksena oli, että maailmankaikkeutemme on neliulotteinen siivu korkeampiulotteisessa avaruudessa, ja alkuräjähdyksessä on kyse siitä, että se tormää toiseen siivuun. Törmäyksestä syntyvä ilotulitus synnyttää aineen, ja siivujen kuprut toimivat rakenteen siemeninä.
Mallissa ilmeni pian vikoja – inflaatioväen ohella Veneziano oli kärkkäimpänä osoittamassa erinäisiä ongelmia. Pian kehitettiin uusi versio, syklinen maailmankaikkeus, jossa ylimääräiset ulottuvuudet unohdettiin ja alkuräjähdystä edeltävä aika korvattiin romahduksella, pre-big bang -skenaarion tapaan. Romahduksen kääntäminen laajenemiseksi ja rakenteen siementen saaminen oikein vaivasivat tätäkin viritelmää, eikä se saanut merkittävää suosiota tutkijoiden keskuudessa.
Boylen ja kumpp. ehdotus ei siis ole uusi ja rohkea teoria, vaan viimeisin vedos kohta 30 vuotta vanhasta ideasta. Entiset ongelmat eivät ole menneet mihinkään, ja toistaiseksi Boyle ja kumpp. eivät ole yrittäneetkään selittää, miten maailmankaikkeudet voi yhdistää sujuvasti. Heidän tarkastelunsa ei päde alkuräjähdyksessä, jonka varassa koko idea pyörii. Inflaation yksi hyve taasen on se, että ei tarvitse välittää siitä, mitä inflaatiota ennen tapahtui.
PhysicsWorldin haastattelun mukaan Turok arvostelee inflaatiota siitä, että kuin Ptolemaioksen malli Aurinkokunnalle, se on vailla kunnon perusteita ja vaatii aina uutta säätöä sopiakseen havaintoihin. Itse asiassa inflaatio on perusteiltaan yksinkertainen idea, joka on kohta 40 vuoden ajan ennustanut havaintoja suurella menestyksellä, ja kuvaus sopii paremmin romahtavien tai aikakäännettyjen maailmankaikkeuksien eri versioihin.
Ylen juttu ei ole huono mitä tieteen esittelyyn tulee, mutta aina fyysikkojen puheita ei voi ymmärtää vain fysiikasta käsin, vaan täytyy myös tarkastella sosiologiaa. Steinhardt, joka vieläkin työskentelee syklisen mallin parissa, oli eräs ensimmäisistä inflaatiota tutkineista fyysikoista, mutta on sittemmin ruvennut esittämään kaikenlaista, ei aina aivan paikkansapitävää, arvostelua inflaatiota kohtaan omien ideoidensa pönkittämiseksi. Turok aloitti 80-luvulla inflaation vaihtoehtona esitettyjen kosmisten säikeiden parissa, ja on jatkanut oppositiossa halki vuosikymmenten.
On tervettä, että yleisesti hyväksyttyjä ideoita arvostellaan niin paljon kuin sielu sietää ja esitetään vaihtoehtoja, vaikka ne eivät täysin toimisikaan. Se, että kaikki kritiikittä toistaisivat yleisesti hyväksyttyjä ideoita olisi tieteelle vaarallisempaa kuin se, että joskus arvostellaan aiheetta. Tiedeuutisoinnin pohjalta on kuitenkin usein vaikea hahmottaa, mitä on hurjien puheiden takana.
10 kommenttia “Eilispäivän rohkeutta”
-
Antti kangasvieri sanoo:
Ovatko nämä mallit sukua syklisille malleille? Pikaisen maallikkopähkäilyn jälkeen isoimpana erona tuntuu olevan edellisen ”syklin” mahdollisesti ikuinen kesto.
-
Syklinen maailmankaikkeus on nimensä mukaisesti syklinen malli.
-
-
Cargo sanoo:
Saattaako tuo pelkän hypoteesin julkaiseminen kieliä ”akateemisesta paranoiasta”, eli pelosta että joku seminaarilla istunut Dr. Mulqvist scooppaa koko crackpot-teorian?
-
Tuskin, enkä kutsuisi tätä ”pelkän hypoteesin julkaisemiseksi”.
-
-
Theory of Everything by illusion sanoo:
Jos verorahoitteinen YLE tekee juttuja täysin spekulatiivisestä fysiikasta, niin miksei samalla voida nostaa esiin kotimaisia tieteentekijöitä. Kysynpä vaan näin retorisesti. Ja nyt en puhu mistään tiedepalstojen anonyymeistä hörhöistä, vaan piinkovista tiedemiehistä, joilla on myös julkaisuja vyön alla, esim. vixra.org -sivustolla.
Kunnia niille, joille se kuuluu.
-
Kyllähän suomalaisistakin tieteentekijöistä kirjoitetaan.
Spekulaatio on osa tiedettä.
Sivustolle vixra.org laitettuja artikkeleita ei pidetä tieteellisinä julkaisuina.
-
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Alas huipulta
-
Markku Pörhönen sanoo:
Mistä kyseiset tutkijat ovat tulleet ajatelmaan, että aika kulkisi päinvastaiseen suuntaan antimateriauniversumissa? Eikö meidän universumimme ajan kulkusuunta perustu kausaalilakiin, ensin syy, sitten seuraus. Toki kvanttimaailmassa ei aina tarvita syytä (esim. atomiytimen spontaani fissio). Siitä on kuitenkin matkaa kausaalilain kääntymiseen. Seuraako tuo ajan kulun suunnan muutos väistämättä mallin matemaattisesta sisällöstä vai onko se yksi vaihtoehto, jonka mallin tekijät sitten ovat valinneet malliinsa?
-
Kvanttikenttäteorian mukaan luonnonlait säilyvät samana, jos vaihtaa hiukkaset ja antihiukkaset toisikseen, peilaa avaruuden ja kääntää ajan suunnan. Artikkelin ideana on se, että toteutunut maailmankaikkeus (eivät vain luonnonlait) noudattaa kyseistä symmetriaa. Tällöin on olemassa toinen maailmankaikkeus, jossa aikasuunta on vastakkainen kuin meillä.
Ylen jatkojutussa https://yle.fi/uutiset/3-10622794 totesin seuraavaa:
”Jos spekulaatio pitää paikkansa, antimaailmankaikkeuden asukkaat (jos sellaisia on) kokevat ajan kulkevan eteenpäin, kuten me. Ainakin näin luulisi – emme varmasti tiedä sitäkään, miksi koemme tässä maailmankaikkeudessa ajan kulkevan eteenpäin.”
-
Vastaa
Täältäkin on turha etsiä seuraavaa Einsteinia
Puhun lauantaina 9.2. kello 14.15 Oulun Tieteen päivillä Oulun teatterissa samasta aiheesta kuin Helsingissäkin, eli Rohkeus ja rakenteet: miksi on turha etsiä seuraavaa Einsteinia. Jonkinlainen tiivistelmä puheesta löytyy täältä.
Puhun tästä myös keskiviikkona 10.4. kello 13.15 Mikkelin Tieteen päivillä Mikkelin lukiolla.
5 kommenttia “Täältäkin on turha etsiä seuraavaa Einsteinia”
-
No tuleeko mieleen yhtään fysiikan tekemisen yleisneroa, joka keksi itsenäisesti toimivia teorioita? Arkhimedes? Mitä enemmän olen fysiikan historiasta lukenut niin sitä enemmän alan olla sitä mieltä, että myös Einstein kuuluu samaan kategoriaan kuin Pythagoras, johon henkilöityvät monen tieteilijän saavutukset.
-
Eusa sanoo:
Metakeskustelu tieteilijöistä on varsin hedelmätöntä. Sama aika kannattaisi käyttää fysiikan sisältöihin.
-
7v sanoo:
asiaa sivuten,
onko eisteinin omalla kaiken teorialla
mitään tieteellistä arvoa
vaikka se jäikin yritykseksi?https://phys.org/news/2015-11-theory-stumped-einstein-dying-day.html
https://www.youtube.com/watch?v=bPSy5vZN-go
-
Siinä käytettyjä matemaattisia rakenteita on sittemmin kehitetty eteenpäin kiinnostavilla tavoilla. (Ei tosin vielä ole selvää, vastaavatko näin tehdyt teoriat todellisuutta.)
-
Vastaa
Oudompia suuntia
Kirjoittaessani hiukkasfysiikan Standardimallin tuonpuoleisesta maastosta olen usein maininnut ylimääräiset ulottuvuudet, mutta en ole tarkemmin kertonut, mistä on kyse. Paikkaan tässä tilannetta.
Vuonna 1907 matemaatikko Hermann Minkowski hahmotti, että Albert Einsteinin kaksi vuotta aiemmin valmiiksi saama suppea suhteellisuusteoria ei kuvaa vain suhteellista aikaa ja avaruutta, vaan absoluuttista neliulotteista aika-avaruutta. Tästä alkoi ulottuvuuksien tutkimus fysiikassa. Kiinnostavaa kyllä, aihetta oli käsitelty populaarikulttuurissa jo aiemmin. (Lawrence Kraussin kirja Hiding in the Mirror: The Mysterious Allure of Extra Dimensions, from Plato to String Theory and Beyond on hauska ja asiantunteva katsaus aiheeseen sekä fysiikan että populaarikulttuurin osalta.)
Fysiikkaan ylimääräiset ulottuvuudet toi suomalainen Gunnar Nordström vuonna 1914. Nordström esitti, että ulottuvuuksia on neljän sijaan viisi, eli on yksi aikasuunta ja neljä paikkasuuntaa. Nordströmin mullistava ajatus oli, että sähkömagnetismi onkin itse asiassa ylimääräisen ulottuvuuden gravitaatiota. Sen, että maailma näyttää neliulotteiselta, Nordström selitti sillä, että elämme neliulotteisella siivulla. Se, miksi me ja havaintomme ovat sidottuja tälle pinnalle, jäi tosin epäselväksi.
Nordströmin idea oli omaperäinen, ja muiden vuorovaikutusten selittämisestä ylimääräisten ulottuvuuksien gravitaation avulla tuli myöhemmin eräs tärkeimpiä yhtenäisteorioiden kehittämisen suuntia. Nordströmin malli kuitenkin unohtui, koska hän käytti omaa gravitaatioteoriaansa. Vuotta myöhemmin, 1915, Albert Einstein ja David Hilbert saivat kiinni yleisestä suhteellisuusteoriasta, ja vuoden 1919 auringonpimennyksen aikaan nähtiin, että Aurinko taivuttaa valonsäteitä. Havainto oli sopusoinnussa yleisen suhteellisuusteorian kanssa ja ristiriidassa Nordströmin gravitaatioteorian kanssa.
Vuonna 1921 Theodor Kaluza esitti kuin uutena ideana yleisen suhteellisuusteorian puitteissa että sähkömagnetismi on viidennen ulottuvuuden ilmentymä, viittaamatta Nordströmin työhön. Kuten Nordström, Kaluza ei antanut tyydyttävää vastausta siihen, miksi maailma näyttää neliulotteiselta. Vuonna 1926 Oskar Klein tarjosi selkeän selityksen: emme näe ylimääräisiä ulottuvuuksia, koska ne ovat pieniä.
Jos käärii kaksiulotteisen arkin tiukasti rullalle, se näyttää suunnilleen viivalta, eli yksiulotteiselta. Jos vielä käärii rullan pieneksi donitsiksi, se näyttää pistemäiseltä, eli nollaulotteiselta. Klein ehdotti, että viides ulottuvuus on kääritty tällä tapaa. Tällöin sitä ei näe suoraan, ellei luotaa fysiikkaa hyvin pienessä mittakaavassa. Sen olemassaolo kuitenkin ilmenee sähkömagnetismina. Kleinin ideasta tuli suosittu, ja ylimääräisiä ulottuvuuksia sisältäviä teorioita ruvettiin kutsumaan Kaluza-Klein-teorioiksi. Nordströmin varhainen työ on muistettu vasta viime aikoina.
Ulottuvuuksia voi piilottaa miten monta tahansa, ja näkemämme vuorovaikutukset ja hiukkaset riippuvat siitä, miten ulottuvuudet on kääritty pieniksi. Yhdestä ulottuvuudesta voi saada sähkömagnetismin, kaikkien Standardimallin vuorovaikutusten selittämiseen ylimääräisten ulottuvuuksien avulla tarvitaan ylimääräisiä ulottuvuuksia seitsemän. Kaiken aineen selittäminen gravitaation ilmentyminä osoittautui tosin hankalaksi.
Merkittävä askel ylimääräisten ulottuvuuksien tutkimuksessa oli 1970-luvulla rakennetut supergravitaatioteoriat, eli gravitaatioteoriat jotka ovat supersymmetrisiä. Supersymmetria liittää yhteen aika-avaruuden ominaisuudet ja hiukkasfysiikan, mikä sitoo yhteen ulottuvuuksien lukumäärän ja hiukkassisällön: se millaisia hiukkasia on riippuu siitä, montako ulottuvuutta on olemassa, vaikka yksikään niistä ei olisi kääritty pieneksi. Osoittautui, että supergravitaatioteorioissa ulottuvuuksien lukumäärälle on yläraja. Mikä herkullisempaa, korkeinulotteisessa tapauksessa teoria on yksikäsitteinen: hiukkassisältö ja vuorovaikutukset on täysin määrätty, luonnonlaeissa ei ole valinnanvaraa. Ikävä kyllä tämä lukumäärä on yksitoista, ei neljä. Monet vaihtoehdot ylimääräisten ulottuvuuksien käärimiselle rikkovat teorian yksikäsitteisyyden.
Seuraava luku ylimääräisten ulottuvuuksien kehityksessä oli säieteoria, suosituin ehdokas kvanttigravitaatioteoriaksi ja kaiken teoriaksi. Sen lähtökohdat olivat hyvin erilaiset kuin aiempien fysiikan teorioiden. Säieteorian pioneeri Daniele Amati kuvaili 1970-luvulla säieteoriaa 2000-luvun fysiikaksi, joka oli vahingossa pudonnut 1900-luvun puolelle. Nyt 2000-luvulla, kun säieteorian tutkimus yhtenäisteoriana on juuttunut paikoilleen, tämä ei enää kuulosta yhtä hohdokkaalta.
Säieteoriassa tarkastellaan yksiulotteisia kappaleita, säikeitä, ja niiden liikkeen kattavaa 1+1-ulotteista pintaa (eli siinä on yksi paikkasuunta ja yksi aikasuunta). Hiukkaset, joista me rakennumme, ovat säikeiden värähtelyjä. Säikeiden muodostamalla pinnalla elää kenttiä, jotka vastaavat meidän näkemiämme ulottuvuuksia. Säieteorian yksinkertaisimmassa muotoilussa näiden kenttien eli ulottuvuuksien lukumäärälle on täsmällinen ennuste: kymmenen. Ylimääräiset ulottuvuudet eivät siis enää ole mahdollinen lisä, vaan välttämätön piirre.
Säieteorian ylimääräisten ulottuvuuksien ajateltiin aluksi olevan erittäin pieniä, Planckin pituuden 10^(-34) m suuruusluokkaa. Kun LHC-kiihdyttimen käynnistymisen aika lähestyi, alettiin esittää myös ideoita siitä, että ylimääräisten ulottuvuuksien koko olisi juuri tarpeeksi iso –noin 10^(-19) metriä– että ne voisi havaita LHC:ssä. Tälle ei oikeastaan ollut muuta motivaatiota kuin se, että ideaa on mahdollista testata pian. Tästä huolimatta siihen liittyvästä mahdollisuudesta, että LHC:n hiukkastörmäyksissä syntyisi mustia aukkoja, tuli tiedeuutisoinnin myötä valitettavan tunnettu.
Säieteoriassa palattiin myös Nordströmin alkuperäiseen ajatukseen siitä, että ylimääräiset ulottuvuudet ovat isoja, mutta me olemme sidottuja neliulotteiselle siivulle. Säieteoriassa onkin luontevasti hiukkasia ja vuorovaikutuksia, jotka on sidottu alempiulotteiselle siivulle, sen sijaan, että ne pääsisivät kulkemaan kaikkialla. Tätä ideaa käytettiin eräässä paljon julkisuutta saaneessa vaihtoehdossa kosmiselle inflaatiolle, ekpyroottisessa skenaariossa, jota sattumoisin tutkin väitöskirjassani. Siinä maailmankaikkeuden aine syntyy kahden neliulotteisen siivun törmäyksessä, joiden kupruista tulee rakenteen siemeniä. Eräs idean kehittäjistä, Paul Steinhardt, oli eräs ensimmäisiä inflaation parissa työskennelleitä tutkijoita, ja on sittemmin tullut tunnetuksi inflaation arvostelijana.
Ylimääräiset ulottuvuudet ovat vuosikymmeniä olleet perustavanlaatuisen teoreettisen fysiikan ytimessä, mutta ei tiedetä, kuvaavatko mitkään tuhansista siitä kirjoitetuista tieteellisistä artikkeleista todellisuutta. Mutta vaikka ylimääräisiä ulottuvuuksia ei olisi, niiden tutkiminen voi auttaa ymmärtämään, miksi ulottuvuuksia olisi vain neljä. Saatamme myös hahmottaa ajan luonnetta paremmin, ja ymmärtää miksei aikasuuntia ole enempää kuin yksi ja miksi aikaa on ylipäänsä olemassa.
16 kommenttia “Oudompia suuntia”
-
Jernau Gurgeh sanoo:
Onko ylimääräisissä ulottuvuuksissa aina kyse paikkasuunnasta (esim. Calabi-Yau avaruus) vai onko olemassa malleja, joissa ylimääräinen ulottuvuus olisi aikasuunnassa?
Onko esim. Delayed choice quantum eraser -koetta yritetty selittää ylimääräisillä aikasuuntaisilla ulottuvuuksilla?
Onko vuorovaikutuksilla kaikissa malleissa sama suunta? Johtuuko gravitaation heikkous siitä, että sitä valuu toisesta ulottuvuudesta vain vähän meidän nyt havaitsemiimme ulottuvuuksiin vai onko se siksi niin heikko, että se valuu meidän havaitsemistamme ulottuvuuksista pois piilossa oleviin ulottuvuuksiin? Onko tällaisella suunnanmuutoksella merkitystä?
-
Sitä, mahdollisuutata, että aikaulottuvuuksia on useampia kuin yksi on kyllä tutkittu, mutta ei kovin paljon.
En tiedä onko niillä yritetty selittää kvanttimekaniikan ominaisuuksia, niillä ei ole sen kanssa mitään ilmeistä tekemistä.
En ymmärrä kysymystä suunnasta. Ylimääräisistä ulottuvuuksista on kirjoitetettu tuhansia artikkeleita, eri artikkeleissa on eri ideoita gravitaatiosta.
-
-
Kommentti neliulotteisuudesta. Masud Chaichian opetti aikanaan että teoria voi olla siisti ja renormalisoituva vain jos sen kytkentävakio on dimensioton, ja se kuulosti uskottavalta. Katsomalla esim. mittakovariantin derivaatan kaavaa näkee että QED:n ja yleisemmin Yang-Mills -teorian kytkentävakio on dimensioton juuri neliulotteisessa aika-avaruudessa. Olen ajatellut itsekseni että tuo voisi olla jonkinlainen ”syy” (jos sellaista halutaan) sille että maailma on neliulotteinen.
Gravitaatiovakio sen sijaan on 4-ulotteisessa tapauksessa dimensiollinen, ja kvanttigravitaatio onkin sotkuinen. Gravitaatiovakio olisi dimensioton 2-ulotteisessa tapauksessa. Olen ajatellut että tämä liittyisi siihen että säieteoria sisältää gravitaation luonnostaan. Näyttää siis kuitenkin siltä että mittakentän ja gravitaation kytkentävakioita ei saa dimensiottomiksi samanaikaisesti. Ehkä se on se maailmankaikkeuden ”suola”, minkä takia sen dynamiikka on niin rikas.
Arvelen että tämä kommenttini on osittain mutta ei täysin järkevä.
-
Se, ettö säieteoria sisältää gravitaation on paljon monimutkaisempi tarina. Kytkentävakioiden tarina on säieteoriassa myös monimutkaisempi, ei mennä siihen tässä.
-
-
Tapsa sanoo:
Tämä kommentti menee asian viereen, mutta osuu sen sijaan otsikon outoihin suuntiin:
On näet aika vaikea kuvitella sitä, että katsommepa mihin suuntaan tahansa, niin näemme aina kohti alkuräjähdystä.
Se kuitenkin tapahtui pikkiriikkisessä pisteessä. Olemme siis yhä tämän ”pisteen” sisällä – joka ikään kuin laajenee väärään suuntaan, sisäänpäin.
Enpä usko olevani ensimmäinen maallikko, joka tätä ihmettelee. Onko olemassa järkeenkäypää selitystä?
-
Kysymykseen on vastattu tämän merkinnän kommenteissa:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sormustimen-verran/
-
-
Kari sanoo:
Jos säieteoriat menevät liian monimutkaisiksi, eikö olisi syytä kaivaa se vanha kunnon Occamin partaveitsi esiin ja leikata liiat säikeet pois?
-
Säieteorian suosio onkin laskenut. Mutta mikään muu ehdokas kaiken teoriaksi tai kvanttigravitaatioteoriaksi ei ole saanut yhtä paljon suosiota, eli mitään muuta ei ole pidetty yhtä lupaavana (oli tämä sitten oikein tai väärin).
-
Lentotaidoton sanoo:
Teoreetikoille ei tuottane tuskaa mutta maallikoille kylläkin se, että on laskesteltu säieteorian sisältävän ainakin 10^500 konsistenttia mahdollisuutta lisäulottuvuksien käpertymiselle (ja siis erilaisia mahdollisia kosmoksia), eikä tiettävästi edes säieteoreetikoilla antaa vastausta löytyisikö omamme niiden joukosta. Tämä lienee yksi suosion laskun syy (ainakin teoreetikkojen ulkopuolella).
Toinen vaikeus lienee se, ettei säieteoria ole tuottanut mitään testattavia tuloksia (eli se ei olisi falsifioitavissa). Ehkä kuitenkin yksi, ainakin väitetty tulos olisi gravitonin ennustaminen.
-
Tämä on vakava ongelma. Lisää aiheesta täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaikki-tai-ei-mitaan/
-
Erkki Kolehmainen sanoo:
Wikipedian mukaan pimeään aineeseen liittyy sama ongelma kuin säieteoriaan. ”that (dark matter) is a hypothesis that adds no empirical content and hence is unfalsifiable in the sense defined by Karl Popper.”
-
Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/jokin-sanoo-poks/
-
-
-
-
-
Matias Slavov sanoo:
Haluaisin kysyä suhteellisuusteorian neliulotteisesta aika-avaruudesta. Sitä luonnehditaan absoluuttiseksi. Tarkoittaako tämä, että se on olemassa itsessään, muusta riippumatta? Tätä Newton tarkoitti sanalla absoluuttinen (hänelle tietty aika ja avaruus olivat erillisiä ja kappaleista, niiden massoista ja liikkeistä riippumattomia).
Toinen kysymys: ajalla on suhteellisuusteoriassa suunta? Minkowskin valokartiot yleensä piirretään niin, että aika-ulottuvuudella on suunta.
-
Suhteellinen tarkoittaa havaitsijata riippuvaa. Absoluuttinen on sen vastakohta, eli havaitsijasta riippumaton.
Eri havaitsijoiden avaruus on erilainen ja aika kulkee eri tavalla, mutta aika-avaruus on kaikille sama.
Aika-avaruudessa on neljä suuntaa, joista kolme on paikkasuuntia ja yksi aikasuunta. Aikasuunta ei ole yksikäsitteinen, eri havaitsijoiden aika voi osoittaa eri suuntaan.
-
-
”kuvaavatko mitkään tuhansista siitä (ylim. ulottuvuudet) kirjoitetuista tieteellisistä artikkeleista todellisuutta.”
Voiko artikkeli olla tieteellinen, jos sillä ei ole mitään yhtymäkohtaa todellisuuteen? Silloinhan teologialla, fysiikalla ja saduilla ei ole mitään oleellista eroa. Ensin voi kirjoittaa tieteellisiä artikkeleita kosmisesta inflaatiosta kuten Paul Steinhardt ja sitten toisen mokoman juttuja siitä, että puhuinkin pötyä?-
Teoreettisessa fysiikassa etsitään niitä sääntöjä, jotka kuvaavat todellisuutta. Koska kukaan ei etukäteen tiedä, mitä nämä säännöt ovat, suurin osa yrityksistä on väärin, eli ei kuvaa todellisuutta.
Tämä ei ole epätieteellistä, vaan tieteen tekemisen ydin.
-
Vastaa
Toisen kauden kuviot
Gravitaatioaaltoja tutkivat koeryhmät LIGO ja Virgo julkistivat uudet tuloksensa maanantaina. LIGOn ensimmäinen havaintokausi vuonna 2015 kesti neljä kuukautta, toinen alkoi marraskuussa 2016 ja loppui elokuussa 2017 (Virgo liittyi mukaan toisen kauden loppupuolella). Siitä pitäen laitteet ovat olleet huollettavana ja päivitettävänä.
LIGO sai gravitaatioaallon haaviin heti käynnistyttyään, ja ensimmäisen kauden aikana koe näki yhteensä kolme mustien aukkojen törmäyksessä syntynyttä aaltoa. LIGOn keskeiset toimijat Rainer Weiss, Barry C. Barish ja Kip S. Thorne palkittiin saavutuksesta viime vuonna fysiikan Nobelilla.
Toisella kaudella mustien aukkojen törmäyksissä syntyneiden gravitaatioaaltojen havaitsemisesta tuli rutiinia, niin hämmästyttävältä kuin se yhä kuulostaakin. Suurin löytö oli kahden neutronitähden törmäys, joka nähtiin gravitaatioaaltojen lisäksi gammasäteillä, röntgensäteillä ja radioaalloilla. Toiselta kaudelta jäi käteen seitsemän gravitaatioaaltoa, eli niitä näkyy suunnilleen kerran kuukaudessa –toisen kauden aalloista viisi tosin sattui saapumaan elokuussa 2017. Nyt julkistetussa analyysissä on käyty tarkemmin läpi myös ensimmäisen kauden data, ja yksi aiemmin epävarma tapaus on nostettu havainnoksi.
Uusien tapausten joukossa on raskain ja kaukaisin nähty mustien aukkojen törmäys: kolmesta viiteen miljardia vuotta sitten, ehkä ennen Auringon syntymää, yksi 30 ja toinen 50 kertaa nyky-Aurinkoa raskaampi musta aukko sulautuivat yhteen paikassa, joka on nykyään 4-8 miljardin valovuoden päässä meistä. (Etäisyys on pidempi kuin valon nopeus kertaa aika, koska maailmankaikkeus laajenee.)
Tämä oli yksi toisen kauden neljästä uudesta havainnosta, jotka julkistettiin nyt kaikki kerralla, siinä missä aiemmat havainnot on ilmoitettu yksitellen. Nyt siirrytään hiljalleen yksittäisten musta aukko -parien syynäämisestä niiden väestön tutkimiseen.
Usean systeemin tarkastelu mahdollistaa tarkemmat testit muun muassa siitä, kuinka paljon mustien aukkojen ja neutronitähtien vahva gravitaatiokenttä eroaa yleisen suhteellisuusteorian ennustuksista – tai saada rajoja sille, miten pieniä mahdollisten poikkeamien täytyy olla, että niitä ei olisi havaittu.
Yksittäisen systeemin havainnoista pitää päätellä sekä systeemin ominaisuudet (esimerkiksi se, missä kulmassa se sattui olemaan meihin nähden) että gravitaatioteorian piirteet. Jos yleistä suhteellisuusteoriaa vaikkapa muuttaa siten, että mustien aukkojen pyörteessä syntyy vahvempia aaltoja, tämän voi piilottaa sillä, että parin kiertotaso on lähempänä katseemme suuntaa, jolloin aallon meitä kohti tuleva osa on heikompi. Kun analysoidaan useita aaltoja samaan aikaan, päästään eroon yksittäisten tapausten mahdollisista sattumista.
Mustien aukkojen väestöstä voi myös päätellä sen, millaisissa olosuhteissa ne muodostuvat ja kehittyvät. Esimerkiksi mustien aukkojen oma pyörimisnopeus ja pyörimissuunnan suhde aukon kiertotasoon kertoo siitä, kehittyivätkö aukot erillään muusta aineesta vai tiukassa vuorovaikutuksessa sen kanssa, ja olivatko ne aiempien mustien aukkojen sulautumisen tulos vai ensi kertaa asialla.
Tämä auttaisi selvittämään sitäkin, ovatko nämä mustat aukot sittenkään syntyneet tähtien romahtaessa, vai ovatko ne muinaista perua ja muodostavat pimeän aineen, kuten jotkut esittävät. Jos näin on, mustien aukkojen ei pitäisi juuri pyöriä, koska ne ovat syntyneet varhaisina aikoina isoista alueista, joiden kokonaispyöriminen on mitättömän pieni. Toistaiseksi havaittujen aukkojen pyöriminen tosiaan on keskimäärin pieni, mutta tämä voi johtua myös tähdistä syntyneiden aukkojen historiasta. Nykyinen 10 aukkoparin otos on liian pieni vaihtoehtojen erottelemiseen. Jos nähtäisiin mustia aukkoja, joiden massa on alle kaksi Auringon massaa, ne olisivat varmasti muinaisia, koska niin kevyet kappaleet eivät voi romahtaa mustiksi aukoiksi, vaan jäävät korkeintaan neutronitähdiksi.
LIGOn ja Virgon taival jatkuu kolmannen kauden merkeissä vuoden 2019 keväällä, ja vuoden loppupuolella mukaan liittynee japanilainen KAGRA. Uuden analyysin mukaan Auringon massan suuruusluokkaa olevien mustien aukkojen törmäyksiä tapahtuu lähimmän 35 miljardin kuutiovalovuoden sisällä noin 10-100 kertaa vuodessa, neutronitähtien noin 100-4 000 kertaa vuodessa. LIGO, Virgo, KAGRA, ja muut toisen sukupolven gravitaatioaaltolaitteet näkevät ensi vuosina satoja mustien aukkojen ja tusinoittain neutronitähtien törmäyksistä syntyneitä aaltoja. Laitteiden herkkyys paranee joka kaudella, ja ne saattavat myös havaita jotain uudenlaista: supernovia, millimetrin korkuisia vuoria neutronitähtien pinnalla, tai jotain aivan odottamatonta.
Sattumoisin samana päivänä kun LIGO ja Virgo ilmoittivat toisen kauden tuloksistaan, kokeellisen hiukkasfysiikan lippulaiva LHC kertoi juuri lopettaneensa toisen havaintokauden. Ensimmäisellä kaudella LHC sai kiinni pitkään havaintoa välttäneen Higgsin hiukkasen, mistä myönnettiin vuonna 2013 Nobelin palkinto – hieman nurinkurisesti massojen mekanismin kehittäneille François Englertille ja Peter Higgsille, ei LHC:n väelle.
Toinen kausi oli teknologian puolesta menestys: kiihdytin toimi aiempaa korkeammalla energialla ja keräsi viisi kertaa enemmän dataa kuin ensimmäisellä kaudella.
Mutta vaikka LHC löysi uusia kvarkeista kasaantuneita hiukkasia, kuten pentakvarkin (mikä motivoi miettimään uudelleen sitä, että pimeä aine olisi heksakvarkkeja), odotukset olivat korkeammalla. LHC:n käynnistyessä monet ajattelivat, että se pian paljastaa uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, auttaa näkemään syvemmälle todellisuuden rakenteeseen. Toivelistan kärjessä oli supersymmetria, jäljessä tekniväri, ylimääräiset ulottuvuudet ja muut kummajaiset. Toisen kauden data-analyysejä ilmestynee keväällä ja kesällä, mutta on epätodennäköistä, että niissä on mitään löytöjä. LHC:n protoni-protoni-törmäykset, ja raskaampien ytimien törmäykset, ovat sotkuisia, ja signaali erottuu kohinan seasta vain hitaasti. Koska toistaiseksi ei ole näkynyt merkkiäkään uudesta fysiikasta, kasassa oleva data jota ei ole vielä ehditty käydä läpi tuskin riittää löytöön, korkeintaan vihjeeseen.
LHC aloittaa kolmannen kauden keväällä 2021. Törmäysenergia nostetaan viimein alkuperäiseen tavoitteeseen, törmäysten tahtia kohotetaan ja laitetta parannellaan kaikin tavoin. Mutta jatkoa ei odoteta toiveikkaana. Monet hiukkasfyysikot pelkäävät, että juonenkaari on samanlainen kuin toisella kaudella, eikä tarjolla ole mitään uutta tai yllättävää. Aika näyttää.
37 kommenttia “Toisen kauden kuviot”
-
Terminologia-asia: Populaatio-sana käännetään ihmisistä puhuttaessa väestöksi ja biologiassa kannaksi, esimerkiksi karhukanta. Tuntuisi luonnolliselta jättää se fysiikassa joko kääntämättä (mustien aukkojen populaatio) tai käyttää kanta-sanaa (musta-aukkokanta).
-
Tuolta linkeistäsi koskien LHC/top-kvarkki:
https://home.cern/news/press-release/cern/higgs-boson-reveals-its-affinity-top-quark
New results from the ATLAS and CMS experiments at the LHC reveal how strongly the Higgs boson interacts with the heaviest known elementary particle, the top quark, corroborating our understanding of the Higgs and setting constraints on new physics.Joskus aiemmin (en löytänyt koska) oli puhetta siitä, kuinka top-kvarkin tarkka massa (eli tarkka kytkeytyminen Higgsin kenttään) liittyy muihin perustavanlaatuisiin kosmologian hiukkaskysymyksiin (väärä tyhjö ja Standarditeorian ylittävä fysiikka?). Nämä LHC:n tulokset eivät liene tuoneet mitään uutta asiaan?
-
Topin ja Higgsin massan suhteen LHC on tosiaan antanut mielenkiintoista tietoa, kuten täällä kirjoitin:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vakauden-ja-tuhon-rajalla/
Tällä hetkellä on projekti (missä Helsingin yliopiston fysiikan laitokseltakin ollaan mukana) selvittää topin massa entistä tarkemmin, ja toisen kauden data on tässä tärkeää.
Tyhjön kohtalo ja Standardimallin pätevyysalueen raja riippuvat hyvin herkästi Higgsin ja topin massasta. Tällä hetkellä virherajojen puitteissa tyhjö voi olla stabiili tai olla olematta, ja Standardimallin pätevyysalue saattaa ulottua aina Planckin skaalaan asti.
-
-
Leo Sell sanoo:
Mikä gravitaatioaalloissa siirtyy valon nopeudella,avaruuden kaarevuusko vai gravitoniryppäät.Massaa kun siinä 14.9.2015 maan saavuttaneessa, rysäyksessäkin sentään irtosi n.3men maanmassan verran. Miten irronnneet alkuaineet nämä aallot liikkeeseen sysäävät?
-
Gravitaatioalloista, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/meri-ei-ole-tyyni/
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/nakymattomia_kuvia_vakivallasta
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/valolla_aaltojen_kuuntelemista
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/maljan_jaljilla
-
Luin ne artikkelisi.Voisiko gravitaatioaaltoilu olla,sekä pitkittäis-,että poikittaissuuntaista aaltoliikettä,jolloin se muodostaisi spin-2-kentän (eli sillä olisi vapausasteet:-2,-1, 0,1,ja2).Näin se kuvaisi sekä venyttämistä että kutistumistamista, siinä yhä ”löytämättömät” gravitonit näyttäisivät samoilta 180-asteen välein?
-
Gravitaatioaalloilla on spin 2. Niillä on kuitenkin yleisessä suhteellisuusteoriassa vain kaksi vapausastetta. Gravitaatioaaltojen avulla on etsitty useampia mahdollisia polarisaatiovapausasteita, ja toisen kauden havainnot antavat entistä tarkemman rajan sille, miten pieni niiden osuus aallosta pitää olla, jotta niitä ei olisi nähty.
Hieman lisää täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/veikkauksia-piparmintun-tiimoilta/
-
-
-
-
Jo ensimmäisen gravitaatioaaltohavainnon datasta löysin kaikumuotoja. Myös jokainen tutkimusryhmä, joka niitä on hakenut, on melusta sellaisia erottanut 2…4,2 sigman luotettavuudella.
https://arxiv.org/pdf/1811.07431
Uusin tutkimus aiheesta perustuu ennaltamääräämättömään odotuskuvioon, mutta kuitenkin havaittuun signaaliin sitoen ehdottaen, että yli 5 sigman todennus kaiuista saadaan ja että kaiut ovat yhteensopivia mieluummin tapahtumahorisontittomien kohteiden kuin mustien aukkojen kanssa.
Ehkä toisella kaudella eräs päätutkintalinja olisi falsifioida musta aukko tai gravitaatiosignaalien yhdistymistapahtuman jälkeiset kaiut…?
-
Törmäävien kohteiden rakenteesta kertovat kaiut ovat tosiaan yksi tutkimuskohde. Sellaisia ei toistaiseksi ole löytynyt.
-
Tarkennettakoon tutkimuksen kuvioseulonnasta: kuviota (template) käytettiin, mutta ei mustan aukon odotusarvoin vaan bayesiläistä tilastotiedettä hyödyntävän data-analyysin kertyvällä interferoinnilla muodostettua kuviointia (mikäli ymmärsin kertalukemalla oikein). Menetelmän haaste on vähäisessä datassa yhdestä tapahtumasta ja luotettavuus parantuu toisaalta samankaltaisten tapahtumien lisääntyessä toisaalta useampien havaintolaitteiden tallentaessa dataa samasta tapahtumasta.
-
-
Räsänen: ”Tällä hetkellä on projekti (missä Helsingin yliopiston fysiikan laitokseltakin ollaan mukana) selvittää topin massa entistä tarkemmin, ja toisen kauden data on tässä tärkeää”.
OK kiitos vastauksesta.Eli onko muitakin tutkimusprojekteja kuin LHC data meneillään vai seulotaanko tässä(kin) vain LHC valtavaa (vanhaa) dataa. Eli mitä on tämä ” toisen kauden data” vastauksessasi?
-
Viittaan toisen kauden LHC-dataan.
LHC-kiihdyttimen parissa työskentelee seitsemän isoa tutkimusryhmää, joista jokaisessa on lukuisia eri tutkimusprojekteja.
-
-
Mika sanoo:
Millä tavalla gravitaatioaaltohavainnoista pystytään päättelemään aaltoja lähettäneen kohteen tyyppi, vai vaatiiko se aina myös muita havaintoja ko. tapahtumasta? Viitaten tähän ”Jos nähtäisiin mustia aukkoja, joiden massa on alle kaksi Auringon massaa”, eli mistä tiedetään kyseessä olevan nimenomaan musta aukko?
-
Lähteiden rakenne vaikuttaa aaltojen muotoon, eli siihen, miten niiden korkeus ja taajuus muuttuu ajan myötä.
Esimerkiksi neutronitähdet venyvät viimeisillä kierroksilla enemmän kuin mustat aukot. Toisaalta isommat kappaleet törmäävät isommalla etäisyydellä kuin mustat aukot. Yhteensulautuneiden kohteiden muodostaman kappaleen värähtely on myös erilainen riippuen siitä, onko kyseessä musta aukko vai jokin muu kohde.
Toistaiseksi rajat mahdollisille poikkeamille mustien aukkojen käytöksestä ovat melko heikkoja, paitsi neutronitähtiparin tapauksessa.
-
Poikkeamien esiintyvyyttä ei luonnollisestikaan lisää se, että suodattimet on simuloitu enimmäkseen juuri mustien aukkojen perusteella. eLISA tuonee tunnistettavuuteen tasavertaisuutta kaikenlaisten gravitaatioaaltotapausten tallentamiseen ja niitä lieneekin sitten päivittäin useita…
-
-
-
Jos LHC on ehkä toistaiseksi alittanut ennakko-odotukset, gravitaatioaaltohavainnot tuntuvat ylittävän ne (subjektiivinen käsitys). Ensimmäinen havainto ei jäänyt irralliseksi, vaan nyt on jo pieni tilasto.
Olenko ymmärtänyt seuraavan oikein? Gravitaatioaaltomittaus ei mittaa aallon energiavuota, vaan metriikan variaation amplitudia suoraan. Energiavuo vaimenee kuten 1/r^2 ja amplitudi kuten 1/r. Siksi tapahtumien määrä kasvaa nopeasti kun mittarin raja-amplitudia pienennetään. Tapahtumien määrä per aikayksikkö kasvaa herkkyyden kolmanteen potenssiin.
-
Kyllä, juuri noin.
-
-
Sori, palaan vielä tuohon top/Higgs massoihin. Mistään en ole löytänyt selvitystä MIKSI Standardimallin pätevyysalue (ja tyhjön kohtalo) riippuu herkästi näiden massojen tarkasta arvosta. Eli MITÄ LHC tarkkaan on kertonut: ” Se onkin ainoa uusi maailmankaikkeutta kuvaava luku, jonka LHC on meille kertonut.” Tiedämme että kenttä antaa topille massan, mutta itse Higgsille kenttä ei anna massaa (ainakaan kaikkea). Ja lisäksi, yleensähän hiukkasten massojen suuruuksilla (niinkuin ei millään noin 20:llä perusparametrillä) ei ole mitään selitystä/mekanismia, ne ovat vain mittaustuloksia (joista hiukkasten massoista sitten lasketaan itse Higgsin kentän arvo). Vai onko tämä liian pitkä stoori tässä kuvattavaksi?
-
LHC on kertonut Higgsin massan.
Mainitsemasi Standardimallin vapaat parametrit määräävät, miten kentät käyttäytyvät sillä energialla, millä niitä on mitattu, eli nykyisten kiihdyttimien energialla. Kvanttikorjausten takia niiden vuorovaikutukset ovat erilaisia eri energioilla. Higgsin massa ja topin massa vaikuttavat kvanttikorjausten kautta siihen, miten voimakkaasti Higgs vuorovaikuttaa itsensä kanssa.
Top-kvarkki heikentää Higgsin itseisvuorovaikutusta. Se voi heikentää sitä niin paljon, että vuorovaikutus muuttuu attraktiivisesta repulsiiviseksi korkeilla energioilla. Jos näin käy, Standardimallin vakuumi ei ole stabiili. Top-kvarkin ja Higgsin vuorovaikutuksen voimakkuus on verrannollinen topin massaan.
-
Hiukkaskiihdyttimiähän on ollut jo vuosikymmeniä (1930 luvulta lähtien). Kuinka paljon/vähän nämä 20 parametriä ovat muuttuneet kiihdyttimien historiassa kun kirjoitat: ”Kvanttikorjausten takia niiden vuorovaikutukset ovat erilaisia eri energioilla”. Tietysti sekä top että Higgs ovat vasta viimeaikojen kiihdyttimien löytöjä (Tevatron ja LHC), mutta tarkoittaako lauseesi sitä, että nykyistenkin kiihdyttimien energia on naurettavan pieni teoreettiseen kattoon eli Planckin energiaan verrattuna. Ja että välissä on valtava tuntematon erämaa, joka voi periaatteessa tuottaa rajusti erilaista fysiikkaa (ja lisää niitä kvanttikorjauksia). Ja parametrit muuttua sen mukaisesti.
Eli voimmeko joskus kaukaisessa tulevaisuudessa kokeellisesti tietää elämmekö mahdollisesti väärässä tyhjössä?
-
Standardimallin parametrit, kuten hiukkasten massat ja vuorovaikutusten voimakkuudet, riippuvat energiasta. Niiden arvo yhdellä energiaskaalalla on mielivaltainen, mutta kun se on mitattu, teoria määrää sen arvon muilla skaaloilla.
Parametrit muuttuvat kuitenkin hitaasti energian funktiona. (Poikkeuksena vahvan vuorovaikutuksen voimakkuus, joka muuttuu voimakkaasti noin 100 MeV:n kohdalla.) Esimerkiksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuus muuttuu nollaenergian rajalta sähköheikolle energialle vain arvosta 1/137 arvoon 1/128.
Jos on uutta fysiikkaa, niin se toki myös vaikuttaa parametrien muutokseen. Niinpä esimerkiksi kysymykseen siitä, onko nykyinen tyhjö satabiili, ei voi vastata ellei tiedetä mitä kaikkea korkeilla energioilla on.
Kääntäen, jos tyhjö olisi liian epästabiili, tätä voisi periaatteessa käyttää osoittamaan että tarvitaan uutta fysiikkaa. Standardimallin kohdalla tämä ei toimi nykytyhjölle, koska tyhjön elinikä on joka tapauksessa paljon isompi kuin maailmankaikkeuden elinikä. Inflaation aikana tosin voidaan saada mielenkiintoisia rajoja, koska kenttä ei saa eksyä väärään tyhjään inflaation aikana eikä lopussa.
-
Tosiaan näyttää ”elävän” tuo topin massa:
https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CombinedSummaryPlots/TOP/mtopSummary_TopLHC/mtopSummary_TopLHC_201809.png -
Tällä hetkellä suurin virhelähde ei ole mittaustarkkuus, vaan vaikeudet mitatun arvon yhdistämisessä teoreettisissa laskuissa käytettyyn topin massaan, ne kun ovat eri suureita, joiden suhde on hyvin monimutkainen.
-
-
-
-
-
Vähän off-topic. Olisi mielenkiintoista kuulla Syksyn mielipide Farnesin yrityksestä selittää pimeä aine ja energia negatiivisen massan hiukkasilla, joita syntyy hitaasti lisää, https://arxiv.org/pdf/1712.07962.pdf . Ajatus näyttää toimivan ainakin jossain määrin koska simulaatio niin näyttää, mutta esimerkiksi sitä en osaa sanoa pystyisikö se selittämään rakenteiden synnyn yhtä hyvin kuin lambda-CDM.
-
Tuo artikkeli ei mielestäni ole mielenkiintoinen eikä varteenotettava.
-
Tuostahan on Sabine Hossenfelderin Backreaction -blogissa melko tuore kirjoitus ja vilkas keskustelu kommenteissa.
Sabine on Syksyn kanssa ilmeisen samaa mieltä, mutta olisi kiva jos Syksy pystyisit jonkinlaisen pienen yhteenvedon suomeksi tekemään aiheesta (negatiivinen massa) yleisemmin.
-
Kyseinen malli on teoreettisesti vailla motivaatiota ja räikeässä ristiriidassa havaintojen kanssa, joten en pidä järkevänä käyttää sen avaamiseen aikaa.
-
Mihin räikeään ristiriitaan viittaat? Hossenfelderin blogista asia ei tunnu selviävän, siellä viimeinen Sabinen kommentti on ”In summary, there’s a priori no obvious contradiction between Farnes’ idea and existing measurements.”
-
Maailmankaikkeuden laajeneminen ja siksi myös etäisyydet ovat täysin pielessä.
Ei tästä sen enempää.
-
-
-
-
-
Onko olemassa sellaista borderline-crackpottery-spekulaatiota, että törmäyksissä syntyneet hiukkaset voivat muuttua välittömästi energiaksi, joka ilmenee aika-avaruuden aaltoliikkeenä? Tällöin voisi olla sellaisia hiukkasia, joita ovat ehkä pysyvästi näkymättömiä.
-
Aika-avaruuden aaltoliike tunnetaan myös nimellä gravitaatioaallot. Hiukkastörmäyksissä toki syntyy gravitaatioaaltoja, mutta gravitaatio on niin heikko vuorovaikutus, että niiden osuus törmäysenergiasta on mitättömän pieni.
-
-
Kirjoitatko mieluummin aika-avaruus kuin avaruusaika siksi, että aikakoordinaatti tavataan esittää ennen avaruuskoordinaatteja? Englanninkielessä yleisempi ilmaus on spacetime kuin time-space…
-
Aika-avaruus kuulostaa suomeksi sujuvammalta.
-
-
Tuosta LIGO’sta tuli mieleen gravitaatioaaltojen kvalitatiivisia ominaisuuksia koskeva kysymys. Fysikaalisen aaltoliikkeen yleinen ominaisuus on se, että nopeuden muuttuessa tapahtuu liikkeen heijastumista, joten onko mahdollista, että myös gravitaatioaallot voivat heijastua, kun aaltoliike etenee esim. alueeseen, jossa on suurempi energiatiheys?
-
Gravitaatioaallot liikkuvat valon nopeudella riippumatta siitä, kulkevatko ne aineen läpi.
-
Jos SMG-kenttä heijastuu esim.vedestä ja aineaalto potentiaalista, niin luulisi kai jonkun yrittävän modifioida gravitaatioteoriaa sellaiseksi, että myös aika-avaruuden allot kokevat heijastumista?
Tosin silloin teorian pitäisi varmaankin perustua Huygenin periaatteeseen ja aaltoliikkeen intensiteettiin.
-
Gravitaatioteorioiden muokkaaminen pohjaa teorioiden rakenteeseen tai selitettäviin koetuloksiin, ei pyrkimykseen saada gravitaatioaallot heijastumaan.
Tämä riittäköön tästä.
-
-
-
Vastaa
Vallankumouksen sirpaleita
Matemaattisten aineiden opettajien liiton lehdessä Dimensio 4/2018 on artikkelini Vallankumouksen sirpaleita: huomioita fysiikan opetuksesta. Juttua ei ole nettiversiossa, kiinnostuneiden täytyy haalia käsiinsä paperia. Kirjoitus alkaa seuraavasti:
”Fysiikka on vallankumouksellista. Vuosisata sitten kvanttifysiikka ja suhteellisuusteoria mullistivat ymmärryksemme todellisuudesta. Suhteellisuusteoria muutti käsityksen ajasta ja avaruudesta. Tämä avasi ovet maailmankaikkeuden kehityksen hahmottamiseen ja ihmisten näkemiseen osana maailmankaikkeuden historiaa. Kvanttifysiikka paljasti aineen luonteesta asioita, jotka olivat kuvitelmia ihmeellisempiä. Kvanttifysiikka on myös osoittautunut kaikkien aikojen hedelmällisimmäksi tieteelliseksi teoriaksi: se muodostaa elektroniikan ja nykykemian –toisin sanoen lähes kaiken nykyteknologian– pohjan.
Koulufysiikan opetussuunnitelmassa näitä asioita hädin tuskin mainitaan.”
12 kommenttia “Vallankumouksen sirpaleita”
-
Itse taas en voi kuin ihmetellä, että miksei pseudo-Riemannin monistojen kovariantti derivaattaa tai Hilbertin avaruuden rajoittamattomien operaattoteiden spektraaliteoriaa mainita koulumatematiikan opetussuunnitelmassa.
-
Jos haluat lukea, mistä itse asiassa on kysymys, niin kirjoitin Ylelle joku aika sitten samasta aiheesta suppeamman jutun:
-
Kiitosta vain linkistä, ja itse voin lukea tuon Dimension paikallisen yliopiston kirjastossa. Tosin koko läpyskä on nykyään niin täynnä pelkkää digihöttöö ja temppuoppimista, ettei paljoa jaksa vilkaista.
Mutta kun osaaminen tulee tulevaisuudessa edelleen laskemaan, niin ehkä Dimensionkin sivut vielä täyttyvät konservatiivisista vaatimuksista tasoryhmien ja opettajajohtoisen kynä-paperi-opiskelun puolesta.
-
Olisiko mahdollista kehittää lukion fysiikkaan valinnaista kurssia, esim. Physics X – á la Feynman? Nykyinen päättömästi digiloikkaava opetusministeri tuntuu innostuvan aivan kaikesta, jos siinä on jotain uutta. Fysiikasta kiinnostuneet oppilaat ovat toki jo nyt netin kautta autodidaktisia, mutta laajempi oppilasjoukko voitaisiin houkutella tieteen maailmaan tuollaisen valinnaisen kurssin kautta, etenkin kun ottaa huomioon esim. poikien luontaisen laumakäyttäytymisen.
Tuollaisella Fysiikka X -kurssilla sitten pohditaan opettajan johdolla luonnonilmiöitä ja niistä seuraavaa uutta fysiikkaa minimaalisin matemaattisin apuvälinein. Jos esim. oletetaan Maxwellin yhtälöt tunnetuiksi, niin tarkastelemalla kahta fysikaalisesti erillistä tilannetta, joissa magneetti liikkuu johtimen ollessa levossa, tai johtimen liikkuessa magneetin ollessa levossa, päädytää suhteellisuusperiaatteeseen että havainnot saataisiin selitettyä. Sitten voitaisiinkin tarkastella graafisesti aika-avaruus-koordinaatistoa ja suhteellisuusperiaatteen edellyttämää Lorentz-muunnosta, josta päädytäänkin aikadilataatioon ja vaikka relativistiseen liikemäärään. Kvanttimekaniikkaa voitaisiin selittää fotonien ja elektronien samanlaisella diffraktiolla, mistä seuraa selitys valon ja ainehiukkasten liikkeelle kaikkien eri ”vaiheisten” polkujen summana. Visuaalisesti havainnollistettu Fourier-muunnos ja kokeellinen epätarkkuusperiaate selittää hiukkasten aaltomaisuuden sekä atomien spektrin seisovina aaltoina potentiaalikuopissa yms. yms. Eräs ohjenuora voisi olla se, että kaikki fysiikan teoriat pyritään ”johtamaan” ensimmäisten periaatteiden sekä yksinkertaistetun matematiikan avulla.
-
-
-
Jos ei muuta, niin ainakin sen voisi kaikillekin opettaa että ilman kvanttifysiikkaa normaalia ainetta ei voisi olla olemassa, koska elektronit etsiytyisivät atomiytimiin ja jäisivät sinne. (Formulointia pitäisi toki miettiä huolellisemmin.)
-
Syksy, nyt olet ihan asian ytimessä! Kannatan!
On aivan käsittämätöntä, ettei suurimmalla osalla (näin rohkenen oman kokemukseni perusteella väittää) muuten fiksuista ja koulutetuista ihmisistä ole oikein mitään käsitystä näistä asioista, jotka on kuitenkin kehitetty jo 100 vuotta sitten.
Puhuin kerran erään ict-ammattilaisen (!) kanssa avaruusmatkoista ja viittasin ohimennen ns. kaksosparadoksiin. Kaverini ei tuntenut termiä, vaan pyysi selittämään asian – ja sen lopuksi tokaisi: valehtelet.
-
Vertailun vuoksi, kaikenlaista on tullut vastaan. Esimerkiksi väittelin kerran pitkään erään ulkomaisen avaruusplasmafyysikon kanssa eräästä matemaattisesta jutusta. En antanut asiassa periksi, koska hänen väitteensä oli että kompleksiluvun neliö on reaaliluku. Olen myös tavannut useamman kuin yhden satelliitteja työkseen suunnittelevan insinöörin, jolle mekaniikan perusasiat kuten pyörismäärän säilymislaki ja Newtonin kolmas laki tuntuvat olevan uusia asioita.
-
Itse olen ollut seuraamassa väitöstilaisuutta, jossa vastaväittäjä kysyi, että ”mistä tämä tulos XX on tullut?” Kyseessä oli siis simppeli moniulotteisen differentiaaliyhtälön ratkaisu, jossa eksponentti oli muotoa (vakio)*|x|^2. Tuleva tohtori oli vain kopioinut tuloksen jostain eikä millään muistanut, että neliö tarkoittaa reaalisten vektoreiden pistetuloa! Piruparka meni aivan jäihin ja vasta kustoksen puuttuminen tilanteeseen palautti väitöskeskustelun takaisin raiteilleen. Toisaalta myös Werner Heisenberg mokasi väitöstilaisuutensa, kun Wilhelm Wien alkoi kuulustelemaan kokeellisesta fysiikasta ja sai teoreettisen väittelijän täysin hämilleen.
-
Jospa hän tarkoitti/muisteli, että kompleksiluvun normin neliö eli luvun ja sen kompleksikonjugaatin tulo on aina reaaliluku?
-
-
-
Upetuksen kehittäminen on jalo pyrkimys, koska opetus jää helposti lapsipuolen asemaan painopisteen ollessa tutkimuksessa. En kuitenkaan kantaisi asiasta liian suurta huolta, sillä asioista kiinnostunut löytää netistä todella hyvää materiaalia, joka voi poiketa myös yleisestä paradigmasta.
Kannattaa muistaa Stanislaw Lemin aforismi;
”Monta asiaa olisin oppinut, ellei niitä olisi minulle opetettu.”
-
Nettivideot eivät korvaa kunnollista kouluopetusta.
-
-
Itse olen sitä ikäluokkaa, jolle oppikoulun (siis tällaisen muinaissysteemin) lukiossa ei tietenkään puolella sanalla puhuttu suhteellisusteoriasta saati sitten että sanaa kvantti olisi edes kukaan koskaan kuullutkaan. Einstein vain nimenä oli hädin tuskin tuttu (muista ei ollut aavistustakaan). No eipä yhteiskunnan tekniikkakaan ollut muutenkaan kummoista, höyryjunat puuskuttivat ja ensimmäiset televisiot (musta-valkoiset) ilmestyivät äveriäimpien kotiin (ja Ifalla ja piikkinokkaMossella ajettiin).
Kirjoitin kuitenkin ns pitkän matikan. Jota senkoomin en ole tarvinnut kuin yksinkertaisten ensimmäisen asteen yhtälöiden ratkaisuissa. Ainoa yksityiskohta muistissa kouluajalta oli kun ns prelluissa kysyttiin derivaatta sini x:n ratkaisua. Olen saanut kaupallisen koulutuksen sekä senmukaisen ”karriäärin”. Tie siitä eteenpäin on ollut (tuskaisen) pitkää itseopiskelua. Kukaan eikä mikään pakottanut. Tiedon jano yksinkertaisesti yllytti ottamaan asioista selvää. Nyt eläkeukkona luen joka päivä sekä suhteellisuusteoriaa että kvanttifysiikaa ja etenkin kosmologiaa (nämähän kaikkihan nivoutuvat läheisesti toisiinsa) ja tämä enimmäkseen englanniksi. Suuri rajoitteeni edelleen on matematiikka.
Maailma on nimenomaan tekniikan osalta kehittynyt noista ajoista käsittämättömän rajusti. Monasti ajattelen että mitähän minustakin olisi tullut jos olisi koulussa edes välttävän alustavat tiedot annettu suhteellisuudesta/kvanteista. Olisiko ura heittänyt toisaalle? Periaatteessa nyt tilanne on totaalisti toinen. Vaikka koulussa edelleen vaietaan noista asioista, niin netin/television (ja Räsästen yms) ansiosta jotkut saavat kuitenkin edes sen alustavan kipinän (tietysti Räsäsen mukaisesti tämä ei vastaa varsinaista opiskelua).
Vastaa
Sormustimen verran
Maailmankaikkeuden koosta kysytään usein, joten avaan tässä asiaa hieman.
Keskeinen kysymys on se, onko maailmankaikkeus äärellinen vai ääretön. Mukaillen Arthur C. Clarken kommenttia kysymyksestä, onko Maapallon ulkopuolella elämää vai ei: kumpikin vaihtoehto on ihmeellinen. Ja tässäkään tapauksessa emme tiedä kumpi pitää paikkansa.
Maailmankaikkeuden ikä on äärellinen ja valo kulkee äärellisellä nopeudella, joten näemme vain äärellisen etäisyyden päähän. Tämä etäisyys rajaa kosmisen horisontin, jonka tuonpuoleisesta meillä ei ole mitään havaintoa. Maailmankaikkeus on 14 miljardia vuotta vanha, joten jos maailmankaikkeus ei laajenisi, horisontti olisi 14 miljardin valovuoden päässä.
Avaruuden laajeneminen muuttaa horisontin etäisyyttä kahdella tavalla. Ensinnäkin valo kulkee tietyssä ajassa lyhyemmän matkan: valoa hidastaa se, että sen reitille syntyy koko ajan lisää tilaa, joka pitää tarpoa. Toisaalta etäisyys valonsäteen alku- ja loppupisteen välillä kasvaa. Tämä seikka kasvattaa myös sitä osaa matkasta, jonka valo on jo kulkenut: koko väli alusta loppuun venyy kuin kumimatto.
Jälkimmäinen vaikutus on isompi: näemme nykyään 50 miljardin valovuoden päähän. Tämä ei tarkoita, että näkisimme maailmankaikkeuden laajenemisen takia kohteita, joita emme muuten olisi nähneet. Päin vastoin, jos maailmankaikkeus ei laajenisi, meille olisi ehtinyt tulla valoa useammasta galaksista kuin nyt. Mutta ne alueet, jotka olemme nähneet, ovat työntyneet kauemmas avaruuden laajetessa.
Jos maailmankaikkeus on äärellinen, niin kulkemalle tarpeeksi kauan samaan suuntaan palaa lopulta alkupisteeseen, kuin pallon tai donitsin pinnalla. Tämä pätee myös valonsäteisiin. Mitään merkkejä tällaisesta ei ole nähty, joten maailmankaikkeuden koko on isompi kuin näkemämme 50 miljardia valovuotta.
Meillä ei ole mitään varmaa tietoa siitä, millainen maailmankaikkeus on horisontin takana, hyvin perusteltuja arveluita kylläkin. Näkemämme osa maailmankaikkeutta on tilastollisesti samanlainen kaikkialla. Jos tarkastelee kuutiota, jonka sivun pituus on vähintään 500 miljoonaa valovuotta, niin sen keskimääräiset ominaisuudet ovat samanlaiset olipa kuutio missä tahansa: galakseja ja muuta ainetta on joka kuutiossa saman verran ja ne muodostavat samanlaisia kokonaisuuksia.
Kosminen inflaatio selittää miksi maailmankaikkeus on samanlainen joka puolella. Sen mukaan kiihtyvä laajeneminen ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana paisutti nyt näkemämme alueen valtaviin mittoihin. Kiihtyvä laajeneminen pyyhki pois kaikki inflaatiota edeltäneet epätasaisuudet, jäljelle jäi vain inflaation kvanttivärähtelyissä syntyvät rakenteen siemenet. Ne ovat samanlaisia kaikkialla, joten niin ovat niistä myöhemmin kasvavat galaksit ja muut rakenteet.
Nykyään näkemämme maailmankaikkeuden osan säde oli inflaation alussa alle 10^(-23) metriä, eli sata miljoonaa kertaa protonia pienempi. Kun aine syntyi inflaation lopussa, alueen säde oli noin senttimetrin verran, koko tunnettu maailmankaikkeus mahtui sormustimeen. Kun maailmankaikkeuden kvarkit sitoutuivat protoneiksi ja neutroneiksi 30 mikrosekunnin aikaan, sen koko oli 20 valopäivää. Kun protonit ja neutronit muodostivat atomiytimiä neljän minuutin aikaan, koko oli 20 valovuotta. Kun atomiytimet yhtyivät elektroneihin muodostaen atomeita 380 000 vuoden iässä, nyt näkemämme alueen säde oli 50 miljoonaa valovuotta.
Emme tiedä kauanko inflaatio kesti tai paljonko se kaikkiaan venytti avaruutta. Emme siis osaa sanoa kuinka pitkälle maailmankaikkeudessa jatkuu inflaation tasoittama osuus ja samanlaiset rakenteet kuin ne mitä olemme nähneet. Olisi kuitenkin aikamoinen sattuma, jos näkisimme juuri nyt sen alueen reunalle, jonka inflaatio suurensi. Luultavasti maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta vielä satojatuhansia kertoja isommalla mittakaavalla: vaikka matkaisimme miljoonien miljardien valovuosien etäisyyksille, siellä olisi samanlaista kuin täällä.
Se, millainen maailmankaikkeuden rakenne on kaikkein suurimmassa mittakaavassa –vai jatkuuko avaruus äärettömiin– liittyy siihen, millainen maailmankaikkeus oli ennen inflaatiota. Siitä meillä ei ole kunnollista teoreettista käsitystä eikä minkäänlaisia havaintoja.
40 kommenttia “Sormustimen verran”
-
Olisiko mitenkään mahdollista, että inflaation aikana referenssikellon viisarit pyörivät kuin hedelmäpeli ja sen takia avaruus laajeni nopeammin kuin tämänhetkinen valonnopeus? Jos siis aika määritellään entropian muutoksena, niin totta kai alkupamauksen aikana maailmankaikkeuden entropia lisääntyi vauhdilla, mutta tänäpäivänä entropia kasvaa suunnilleen samaa tahtiin kuin eilen.
Ja jos aineen jakauma on kaikkialla samanlainen by default, niin itse avaruuden tulee laajeta, että entropia voisi kasvaa? Maailmankaikkeus voi siis hyvinkin olla ääretön systeemi, joka toteuttaa universaalia entropiaperiaatetta?
No taas kerran sorruin nojatuolifysisointiin, mutta eiköhän Eusa tule jakamaan syntiä omalla aivokohinallaan 😉
-
Ei.
Joskus käytetty ilmaisu ”laajenee valoa nopeammin” on epämääräinen ja sitä pitäisi välttää. Se viittaa siihen, että jos avaruuden laajeneminen kiihtyy, niin kaukaiset havaitsijat eivät voi enää lähettää toisilleen valonsätietä, koska heidän väliinsä syntyy tilaa niin nopeasti.
Aikaa ei määritellä entropian muutoksena. Inflaation aikana havaittavan osan maailmankaikkeutta entropia laskee nopeasti.
-
OK. Mutta miten se aika fysiikassa sitten määritellään? Luulisi, että saman systeemin kahta eri entropiatilaa kuvataan ajan kautta, ja esim. vedyn perustilalla aika on pysähtynyt, koska elektroni ei voi liikkua eikä toisaalta olla paikoillaankaan (jos siis oletetaan muuten tyhjä maailmankaikkeus).
Voiko sitä inflaatiota ja koko maailmankaikkeuden systeemiä tarkastella niin yleisellä tasolla, että se entropia todellakin kasvaa? Eli jos otetaan kaikki energiamuodot ja vuorovaikutukset huomioon? Ja onko kukaan edes yrittänyt selittää avaruuden laajenemista siten, että se mahdollistaa suljetun systeemin entropian kasvun?
-
Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika on yksi osa aika-avaruudetta, eikä sen olemassaololla tai eteenpäin kulkemisella ole mitään tekemistä entropian kanssa.
Mutta sitä, miksi yleisessä suhteellisuusteoriassa on yksi ulottuvuus joka on erilainen kuin muut, ei tiedetä. Kuten ei myöskään sitä, miksi signaalit kulkevat ajassa vain yhteen suuntaan.
-
-
-
-
JaniK sanoo:
Kiitokset mielenkiintoisesta blogista, tätä on hauska lukea!
Kaikkialla (populäärikirjallisuudessa) aina sanotaan, että on väärin ajatella avaruuden laajenevan johonkin, mutta mikä todistaa, että näin on? Tai miksei voida ajatella avaruuden olevan ääretön ja siellä sattumalta ”klöntti” ainetta lähti laajenemaan?
-
Kiitos, mukava kuulla.
Maailmankaikkeuden laajenemista on selitetty täällä: https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajaton_kasvu
-
-
Erkki Tietäväinen sanoo:
Jatkan tyhmien kysymysteni sarjaa: Näemme nykyään kohteen, josta lähteneellä valolla on kulunut yli 13 miljardia vuotta saavuttaa meidät. Olemme siis tänään noin pitkän matkan päässä paikasta, jossa kohde sijaitsi yli 13 miljardia vuotta sitten. Nythän se sijaitsee ties missä. Miten on mahdollista, että olemme niin kaukana toisistamme? Ymmärtäisin asian, jos inflaatio olisi loitontanut avaruuden osia toisistaan huikeasti valoa nopeammin, mutta niinhän ei ole tapahtunut. Jos kerran nyt näkemämme maailmankaikkeus oli alkuräjähdystä seuranneen inflaation alussa sata miljoonaa kertaa protonia pienempi, selitykseksi ei taida käydä se, että ”maailmankaikkeus ei syntynyt yhdessä pisteessä, vaan joka paikassa samaan aikaan”.
-
”Miten on mahdollista, että olemme niin kaukana toisistamme?”
Koska maailmankaikkeus on laajentunut.
-
Toki minäkin ymmärrän, että maailmankaikkeus on laajentunut. Se ei kuitenkaan ole vastaus kysymykseeni. Yritän tehdä kysymykseni uudella tavalla:
Kun maailmankaikkeudella on ollut aikaa laajeta (reippaasti valoa hitaammin) vain 13,8 miljardia vuotta, niin en ymmärrä, miten voimme sijaita jo yli 13 miljardin päässä jostain kohteesta puhumattakaan, että näkemämme maailmankaikkeuden koko on peräti 50 miljardia valovuotta. Millä nopeudella laajeneminen siis on tapahtunut?
-
Maailmankaikkeuden laajenemisessa ei ole kyse siitä, että kappaleet liikkuisivat poispäin toisistaan. Sen sijaan avaruuden tilavuus kasvaa. (Valonnopeudella ei siis ole mitään tekemistä asian kanssa.)
Laajenemisnopeus muuttuu ajan myötä. Tällä hetkellä se on noin 70 km/s/Mpc, missä Mpc on noin 3 miljoonaa valovuotta. Mitä kauempana kohde on, sitä nopeammin se näyttää etääntyvän meistä, koska sitä enemmän väliimme tulee uutta tilaa.
Inflaation jälkeen laajenemisnopeus on ollut kaikkina aikoina suuruusluokkaa 1/t, missä t on maailmankaikkeuden ikä.
-
Sanot näin: ”Maailmankaikkeuden laajenemisessa ei ole kyse siitä, että kappaleet liikkuisivat poispäin toisistaan. Sen sijaan avaruuden tilavuus kasvaa.”
Tarkoitatko siis, että varhaisin toistaiseksi näkemämme kohde yli 13 miljardin valovuoden päässä on ollut koko ajan yhtä kaukana meistä? Avaruusko vain on kasvattanut tilavuuttaan, mutta kohteen ja maapallon välinen etäisyys on pysynyt samana? Eihän se nyt näin voi olla, kun kertomasi mukaan kaikki alkoi sata miljoonaa kertaa protonia pienemmästä tilasta.
-
”Maailmankaikkeuden laajenemisessa ei ole kyse siitä, että kappaleet liikkuisivat poispäin toisistaan.” Hmm. Sanoisin että totta kai kaukaiset galaksit liikkuvat meistä poispäin: jos sellaisen kanssa vaihtaa radioviestejä, viestien aikaväli kasvaa. Tilan syntymisellä väliin tarkoitetaan kai sitä että kumpikin etääntyjä pysyy levossa universaalin lepokoordinaatiston eli mikroaaltotaustan suhteen. Mutta sen voi kai ajatella johtuvan homogeenisuudesta ja isotrooppisuudesta.
-
Maailmankaikkeuden laajenemista ei voi ymmärtää havaitsijoiden liikkeenä pois toisistaan, eikä homogeenisuudella ja isotrooppisuudella ole mitään tekemistä asian kanssa.
-
”Maailmankaikkeuden laajenemista ei voi ymmärtää havaitsijoiden liikkeenä pois toisistaan.” Jos näin on, missä kulkee raja paikallisen ja globaalin välillä? Pitääkö esimerkiksi paikallisen galaksiryhmän galakseja ajatella normaalisti liikkuvina, mutta jostain isommasta pituusskaalasta lähtien pitääkin alkaa ajatella että väliin syntyy sen sijaan uutta avaruutta?
-
Ainoastaan neliulotteinen aika-avaruus on määritelty yksikäsitteisesti, sen voi siivuttaa avaruudeksi ja ajaksi eri tavoilla.
Kun on valittu tietty siivutus, paikallisesti yhdessä pisteessä havaitsija voi liikkua avaruuden (tai muiden havaitsijoiden) suhteen tai olla liikkumatta. Sen sijaan kysymys siitä, liikkuuko havaitsija jonkun sellaisen havaitsijan suhteen, joka ei ole samassa pisteessä ei ole mielekäs, koska ei ole yksikäsitteistä tapaa verrata eri pisteissä olevia nopeuksia.
Jos valitsee joukon havaitsijoita, avaruuden voi määritellä siten, että he ovat aina paikallaan. Tällöin heidän suhteellisten etäisyyksiensä ja paikkojensa muutos selittyy avaruuden laajenemisella, muodon muuttumisella (kutistumisella ja venymisellä eri suuntiin) ja pyörimisellä.
-
Ymmärrän vastauksesi muut osat, mutta jäin miettimään miksei eri pisteiden nopeuksia voisi verrata. Nelinopeus on maailmanviivan tangentti, ja nelinopeusvektoreita voi yrittää verrata yhdensuuntaissiirtämällä ne samaan pisteeseen. Siirto ei riipu tiestä kun avaruus on laakea. Olen ymmärtänyt että havaintojen mukaan avaruus on laakea.
-
Siirto ei riipu tiestä kun aika-avaruus on laakea.
Maailmankaikkeudessa aika-avaruus ei ole laakea: maailmankaikkeuden laajeneminen on tämän ilmentymä.
Avaruus (ei aika-avaruus) on laakea keskimäärin, ei sekään paikallisesti.
-
Aivan, niinhän se on. Kiitos vastauksista.
-
eräs Esa vaan sanoo:
Olen näissä(kin) tähtitieteen asioissa amatööri ja alkutaipaleen harrastelija, ja hiukan hävettää näin hölmö kysymykseni, liekö jo vastattu monia monituisia kertoja samanlasiin, paremmin muotoiltuihin kysymyksiin. Mutta kysyn silti.
Koska aika on suhteellista, niin millä kellolla on avaruuden ikä ja muut ajallisesti määritellyt välimatkat mitattu? -
Sellaisen havaitsijan kellolla, joka liikkuu aineen mukana. (Näkyvän aineen ja pimeän aineen välinen nopeusero on niin pieni, että ei juuri ole väliä, kumman valitsee.)
-
-
-
-
-
Räsänen: ”Kuten ei myöskään sitä, miksi signaalit kulkevat ajassa vain yhteen suuntaan”.
Eikö tämä ole (vakava) probleema? Fysiikan lait itsessään eivät tee eroa tulevaisuuden ja menneisyyden välillä, ajan suunnalle ei esitetä objektiivista fysikaalista perustaa. Tiedämme kuitenkin että heikko voima rikkoo CP-symmetriaa, mutta että yhdistetty CPT-symmetria (eli CPT–invarianssi) on rikkoutumaton (esim K- ja B-mesonien kohdalla) mutta että esim T-symmetria yksinään ei ole invariantti. Ja että CP-symmetrian on rikkouduttava, jotta CPT-symmetria ei rikkoutuisi. Eli nämä hiukkaset tunnistavat menneen ja tulevan (eli ajan ”nuolen”)?
-
On. Ei tiedetä, miksi ajalla on määrätty suunta. Klassisessa sähkömagnetismissa ja yleisessä suhteellisuusteoriassa on yhtä lailla ajassa taaksepäin meneviä kuin ajassa eteenpäin kulkevia signaaleja, mutta jostain syystä maailmankaikkeudessa on ainoastaan jälkimmäisiä.
-
Voihan vapaata putoamista pitää retrokausaalisuutena; kappale putoaa siten kuin putoaa, jotta menneisyydessä voisi olla olemassa harvaa kaasua, josta tihentynyt alue ja jyrkentynyt kaarevuus. Jotta elliptisten kiertoratojen perusperihelikiertymä, vuorovaikutuksena mallinnettavien staattista gravitaatiokenttää ylläpitävien signaalien on kuljettava tulevaisuudesta menneisyyteen.
Tätä ei toki selitetä näin fysiikassa, mutta voitaisiin selittää, jos esim. olisimme eri havaintotarkkuustilanteessa. Ainahan olemme jossain havaintotarkkuudessa kiinni – on havaitsematonta ilmiötä, joihin päästään käsiksi vasta kehittymisen myötä…
-
Ei, kausaalisuuden suuntaa ei voi kääntää tuolla tavalla.
On havaittu vain ajassa eteenpäin kulkevia signaaleja, ei koskaan ajassa taaksepäin kulkevia. Tämän takia menneisyys vaikuttaa tulevaisuuteen, mutta ei toisin päin.
Tämä riittäköön tästä.
-
-
-
Voisiko ajan yksisuuntaisuutta perustella entropian ohella myös kvanttimekaniikalla? Kun hiukkasta havainnoidaan, niin aaltofuntio romahtaa ja uusi aaltofunktio muodostuu ajanhetkellä t=0 ja lähtee leviämään, eikä tällöin ole mitään mahdollisuutta saada tietoa menneisyydestä. Ottamalla lisäksi huomioon, että hiukkasta havainnoi aina ”jokin”, sillä maailmankaikkeus ei ole tyhjä, niin jokainen ajanhetki on tavallaan uusi t=0 ja näin ollen ajalla voi olla vain yksi suunta ja se on eteenpäin sarjana diskreettejä tilannekuvia. Ehkäpä yleinen suhteellisuusteoria on niin arkaainen viritelmä, ettei siihen pysty sovittamaan epädeterministisen entropian/informaation aiheuttamia dynaamisia muutoksia.
Markiisi de Laplace pitää nyt lopullisesti heittää niska-perse-otteella ulos häiritsemästä tieteen kehitystä.
-
Voi olla, että kvanttimekaniikalla on tekemistä asian kanssa. Tämän selvittämiseen tarvittaisiin ymmärrys kvanttimekaniikan mittausongelmasta ja/tai kvanttigravitaatiosta, mitä kumpaakaan meillä ei ole.
Olen kirjoittanut täällä siitä, mitä tiedämme ajasta:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaksi-tarinaa-ajasta/
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/ajan_kanssa
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/ajankayton_hallinta
-
-
-
pekkap0 sanoo:
Onko mahdollista, että emme ole vielä keksineet vääntää universumia kuvaavia yhtälöitä sellaiseen muotoon, jossa tunnetut dimensiot xyzt korvautuvat uusilla ja jotka selittävät meille nykyään tuntemattomia ilmiöitä paremmin, vaikka eivät olekaan etäisyyksiin ja aikaan nähden yhtä käytännönläheisiä dimensioita?
-
Yleisen suhteellisuusteorian mukainen neliulotteinen aika-avaruus kuvaa havaintojamme erinomaisesti.
On tutkittu ideaa, jonka mukaan aika-avaruus on approksimaatio jostain perustavanlaatuisemmasta, mutta toistaiseksi asiasta ei tiedetä mitään varmaa, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaikki-tai-ei-mitaan/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/aika-avaruuden-atomit/
-
-
Timo K sanoo:
Aiheeseen liittyen eräs mieltäni askarruttava kysymys: kosminen taustasäteily syntyi kun maailmankaikkeus oli 380.000 vuoden ikäinen.
Eli yli 13 miljardia vuotta sitten.
Miten pystymme edelleen havaitsemaan sitä, luulisi nimittäin että tuossa ajassa fotonit olisivat ehtineet joko suihkimaan ohitsemme, tai osumaan johonkin kohteeseen. Eli ei pitäisi olla enää mitään havaittavaa taustasäteilyä.
Mutta on, miten se on mahdollista?
-
Kosminen mikroaaltotausta syntyi kaikkialla. Näemme siis nyt kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn fotoneita, jotka lähtivät liikkeelle paikasta, joka on meistä nyut 50 miljardin valovuoden päässä. Miljardi vuotta sitten tästä pyyhkivät ohi fotonit, jotka olivat lähteneet liikkeelle hieman lähempää meitä, ja niin edelleen.
Kosminen mikroaaltotausta siis muuttuu koko ajan, koska näemme eri hetkinä eri fotoneita, mutta muutosnopeus on hyvin pieni, koska lähellä toisiaan liikkeelle lähteneet (ja melkein saman ajan kulkeneet) fotonit ovat hyvin samanlaisia.
-
-
Juha sanoo:
Tuohon inflaatioon ja aineen kasautumiseen liittyen; Millaisia ilmiöitä avaruuden kaarevuuden muutos aiheuttaa, vai aiheuttaako minkäälaisia? Esim. jos mustan-aukon aine jostain kumman syystä äkillisesti levittäytyisi laajalle alueelle tasaisesti, olisiko sillä mitään yhteyttä ilmiöiden kanssa, jotka liittyvät avaruuden laajenemiseen (punasirrtymä tms.)?
-
Avaruuden laajeneminen on aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä, ei avaruuden kaarevuuden.
Kaikki gravitaation ilmiöt (avaruuden laajeneminen, kappaleiden välinen näennäinen vetovoima, valon taipuminen jne.) ovat aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymiä. Aineen jakauma määrää aika-avaruuden kaarevuuden.
-
-
Kiitos taas mielenkiintoisesta blogista, tämä on yksi parhaita suomenkielisiä tiedeblogeja.
Jatkan hiukan samasta aiheesta aiemman kommentoijan kanssa, ja kysyisin, että kun kirjoitat ”Kun aine syntyi inflaation lopussa, alueen säde oli noin senttimetrin verran, koko tunnettu maailmankaikkeus mahtui sormustimeen.” ja taas toisaalta 30 mikrosekunnin aikaan koko oli jo 20 valopäivää ja 380 000 vuoden kohdalla 50 miljoonaa valovuotta, niin onko alkuvaiheessa inflaation jälkeen laajeneminen ollut vielä nopeampaa ja pikkuhiljaa hidastunut, kunnes alkoi taas kiihtyä myöhemmin?
Mikäli näin on, niin mikä sai aikaan tuon nopean laajenemisen inflaation jälkeen? Jäikö inflaatiosta jonkinlaista laajenemisenergiaa jota gravitaatio pikkuhiljaa hidasti?
-
Kiitos, mukava kuulla.
Yltä siteerattua:
”Laajenemisnopeus muuttuu ajan myötä. Tällä hetkellä se on noin 70 km/s/Mpc, missä Mpc on noin 3 miljoonaa valovuotta. Mitä kauempana kohde on, sitä nopeammin se näyttää etääntyvän meistä, koska sitä enemmän väliimme tulee uutta tilaa.
Inflaation jälkeen laajenemisnopeus on ollut kaikkina aikoina suuruusluokkaa 1/t, missä t on maailmankaikkeuden ikä.”
Viimeisen muutaman miljardin vuoden kuluttua laajeneminen on tosiaan taas kiihtynyt.
Laajeneminen on inflaation jälkeen nopeaa, koska se oli inflaation aikaan nopeaa. Inflaation aikaan se oli nopeaa, koska laajenemisnopeus riippuu inflaation aikaisesta energiatiheydesta, mikä oli hyvin iso.
Sen jälkeen laajeneminen hidastuu, koska gravitaatio on puoleensavetävä, eli avaruuden eri osat vetävät toisiaan puoleensa.
-
-
Jari Toivanen sanoo:
Pahoittelen, jos tämä kysymys ei ihan täsmälleen asiaan liity. Kerroit tuossa kaksi tarinaa ajasta jutussa, että suhteellisuusteoria on deterministinen, mutta kvanttifysiikka ei ole deterministinen. Voidaanko sanoa jo mitään ennusteita siitä tuleeko kvanttigravitaatio tai muu perustavamman laatuinen teoria olemaan deterministinen vai ei-deterministinen?
-
Yleensä ajatellaan, että epädeterministinen, mutta emme tiedä. Nobel-voittaja ’t Hooft on esittänyt malleja siitä, millainen deterministinen fysiikka voisi olla kvanttimekaniikan takana, mutta ne ovat melko lapsenkengissään.
-
-
Seppo Lahtinen sanoo:
Pahoittelen, että vähän raihnaisena vanhuksena kysyn tätä jo vähän myöhässä. Jos valoa nopeamman inflaation jälkeen maailmankaikkeuden (tai havaitsemamme mailmankaikkeuden osan) koko oli yksi sentti, miten se oli 4 minuutin kuluttua 20 valovuotta? Sehän tarkoittaa valoa nopeamman laajenemisen jatkumista.
-
Kysymykseen on vastattu aiempien kommenttien yhteydessä.
-
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Eilispäivän rohkeutta
Vastaa
Konservatiivisuuden nokareet
Olen kirjoittanut useista ehdotuksista pimeäksi aineeksi: nynnyt, aksionit, steriilit neutriinot ja heksakvarkit – vaihtoehtoja on tusinakaupalla. Kommenteissa kollegani Tommi Tenkanen on muistuttanut siitä, että gravitaatioaaltokokeiden LIGO ja Virgo havaitsemat vähän Aurinkoa raskaammat mustat aukot kelpaavat nekin pimeäksi aineeksi. Pimeän aineen ei siis välttämättä tarvitse olla hiukkasia, vaikka se onkin suosituin mahdollisuus.
LIGOn ja Virgon Nobel-palkitut gravitaatioaaltohavainnot ovat antaneet nostetta sille vuosikymmeniä pohditulle mahdollisuudelle, että pimeä aine koostuu mustista aukoista. Kyse ei ole niinkään siitä, että kokeet olisivat paljastaneet jotain uutta, mutta se että mustat aukot ovat huomion keskipisteessä innostaa miettimään mitä kaikkea niillä voikaan tehdä.
Nyt tulin itsekin tutkineeksi sitä, että pimeä aine koostuisi mustista aukoista, yhdessä ohjaamani väitöskirjatutkija Eemeli Tombergin kanssa (joka teki suurimman osan työstä). Päädyin aiheeseen kiertotietä, Higgsin kentän ja kosmisen inflaation kautta.
Usein pimeä aine ja kosminen inflaatio esitetään todisteina siitä, että on olemassa hiukkasfysiikkaa Standardimallin tuolla puolen, jotain kenttiä ja niiden hiukkasia joita emme ole vielä löytäneet. Fedor Bezrukov ja Mikhail Shaposhnikov näyttivät kuitenkin vuonna 2007, miten Higgsin kenttä voi ajaa kosmista inflaatiota. Higgs–inflaatiosta on sittemmin tullut yksi tutkituimpia inflaatiomalleja. Olen itse parina viime vuonna tutkinut sitä, mitä Higgs-inflaatio voi kertoa meille siitä, mistä aika-avaruus on tehty. Mutta sen lisäksi, että Higgs antaa hiukkasille massat ja voi olla vastuussa rakenteen alkuperästä, se saattaa myös tuottaa pimeän aineen. Tämä olisi konservatiivinen vaihtoehto, jossa selitetään tunnetuilla ainesosilla mahdollisimman paljon ennen kuin otetaan mukaan tuntemattomia osasia.
Maailmankaikkeudessa on pimeää ainetta noin viisi kertaa niin paljon kuin tavallista, atomiytimistä ja elektroneista koostuvaa ainetta. Jos pimeä aine koostuu mustista aukoista, pitää selittää miksi mustia aukkoja on niin paljon. Mustien aukkojen tuottaminen on periaatteessa helppoa: tarvitaan vain tarpeeksi tiheä kasa ainetta, joka romahtaa. Näin käy tähdille, jotka ovat vähintään noin kymmenen kertaa raskaampia kuin Aurinko. Pimeä aine ei kuitenkaan voi koostua tällä tavalla syntyneistä mustista aukoista. Kosmisesta mikroaaltotaustasta näkee, että pimeää ainetta oli yhtä paljon kuin nykyään jo silloin maailmankaikkeus oli 380 000 vuotta nuori. Tuolloin tähtiä ei vielä ollut.
Pitää siis olla jokin muu keino kehittää massaklimppejä. Tässä kosminen inflaatio tulee mukaan kuvaan. Inflaation aikana maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, ja inflaatiota ajavan kentän kvanttivärähtelyt venyvät hiukkasfysiikan mittakaavasta kosmisiin pituuksiin. Inflaation loputtua kenttä hajoaa hiukkaskaasuksi, joka perii kentän epätasaisuudet: sinne missä kentän arvo on isompi syntyy enemmän hiukkasia. Tämä selittää maailmankaikkeuden kaiken rakenteen (galaksien, planeettojen, ihmisten) alkuperän.
Inflaation synnyttämät epätasaisuudet ovat tyypillisesti hyvin pieniä, sadastuhannesosan kokoisia. Se ei riitä mustien aukkojen synnyttämiseen suoraan, näin pienten kuprujen tapauksessa pitää mennä galaksien ja tähtien hitaan kehityksen kautta. Epätasaisuuksien koko määräytyy siitä, miten nopeasti Higgsin kenttä (tai mikä kenttä inflaatiosta onkaan vastuussa) muuttuu inflaation aikana. Mitä nopeammin kenttä muuttuu, sitä tasaisempana se pysyy. Isompien epätasaisuuksien aikaansaamiseksi pitää siis kehittää tapa hidastaa kentän muutosta.
Inflaatiokentän muutos kuin mäkeä alas vierivän pallon liike. Pallon vierimisnopeuden määrää mäen jyrkkyys, inflaatiokentän muutosnopeus riippuu siitä, miten se vuorovaikuttaa itsensä kanssa. Jos vuorovaikutuksen voimakkuus muuttuu nopeasti kentän arvon myötä, liike on nopeaa kuin jyrkässä mäessä. Jos kentän vuorovaikutus on melkein riippumaton kentän arvosta, se liikuu hitaasti – tämä vastaa sitä, että mäessä on laakea osuus, joka viettää vain hyvin loivasti.
Kvanttikenttäteoria sanelee, että muut hiukkaset vaikuttavat siihen, miten Higgs vuorovaikuttaa, ja vuosina 2013-2014 oli pantu merkille, että tämän takia voi syntyä laakea alue, jota ehdotettiin muihin tarkoituksiin. Ajattelin, että sitä sitä voisi käyttää mustien aukkojen tuottamiseen. Osoittautui, että idea ei ollut niin omaperäinen kuin kuvittelin. Viime vuonna oli ilmestynyt jo yksi artikkeli, jossa laskettiin, miten Higgsin vuorovaikutuksen laakean alueen avulla saadaan tuotettua suunnilleen Auringon massaisia mustia aukkoja tarpeeksi selittämään pimeä aine. Aiheen tiimoilta. oli myös jokunen muu artikkeli, joissa käytettiin jotain muuta, spekulatiivista, kenttää, ei Higgsiä.
Tarkastelimme kuitenkin Higgs-tapausta edeltäjiämme perusteellisemmin ja huolellisemmin (ja kun sanon ”tarkastelimme”, tarkoitan lähinnä että jatko-opiskelijani Eemeli tarkasteli). Huomasimme, että laakea kohta ei hidasta kenttää tarpeeksi, että mustia aukkoja syntyisi merkittävästi, toisin kuin kollegamme olivat väittäneet. Mutta Eemeli keksi, että kvanttiefektit voivat saada aikaan myös matalan kuopan. Kenttä hidastuu noustessaan kuopasta ylös, ja kuopan syvyyttä säätämällä nopeutta saa laskettua miten paljon haluaa – eli kenttään saa miten isoja klimppejä tahansa.
Huomasimme kuitenkin (ks. edelliset sulut), että mustien aukkojen massan ja maailmankaikkeuden rakenteen välillä on yhteys, koska ne ovat molemmat peräisin Higgsin kentästä. Mitä raskaampia mustat aukot ovat, sitä enemmän galaksien jakauma ja kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet eroavat näkemästämme.
Tämän takia pimeä aine ei voi koostua LIGOn ja Virgon näkemistä mustista aukoista: syntyvien mustien aukkojen massan täytyy olla paljon pienempi, alle tonnin. Pienet mustat aukot höyrystyvät nopeasti, kuten Stephen Hawking osoitti. Ei tiedetä, mitä höyrystymisen loppuvaiheilla tapahtuu. Tämän selvittämiseen tarvittaisiin kunnollinen kvanttigravitaatioteoria, jota meillä ei vielä ole. Vaihtoehtoja lienee kaksi: joko musta aukko haihtuu kokonaan tai jäljelle jää Planckin massan (kymmenen mikrogrammaa) painoinen kvanttinokare. Ensimmäisessä tapauksessa mustat aukot olisivat kadonneet nykypäivään mennessä. Jälkimmäisessä tapauksessa pimeä aine voi koostua tällaisista nokareista.
Jos pimeä aine on mustien aukkojen nokareita, niin sitä ei luultavasti koskaan tulla havaitsemaan muuten kuin gravitaation kautta. Kymmenen mikrogrammaa on tähtien tai ihmisten mittakaavassa vähän, mutta hiukkasfysiikassa valtavan paljon, 10^(16) kertaa enemmän kuin tyypillisten nynnyjen massa. Pimeän aineen massatiheys tiedetään havainnoista, joten mitä isompi on yksittäisen nokareen massa, sitä vähemmän niitä on. Nokareita olisi siis 10^(16) kertaa vähemmän kuin tyypillisiä nynnyjä. Niinpä nokareiden törmäyksiä tavalliseen aineeseen tuskin koskaan nähdään, vaikka niiden vuorovaikutukset eivät olisikaan äärimmäisen heikkoja. Nokareet eivät enää säteile eivätkä hajoa, joten taivaalta ei näy mitään niistä tulevaa säteilyä, eivätkä ne vaikuta tähtien kehitykseen. Voisi siis olla hyvin vaikea osoittaa, että juuri ne ovat pimeää ainetta.
Ajatuksen mustien aukkojen nokareista pimeänä aineena esitti jatko-opiskelija Jane MacGibbon vuonna 1987, ehdotuksemme on ensimmäinen, missä niitä tuotetaan Higgsin kentän avulla. Pitipä idea paikkansa tai ei, se osoittaa, että pimeä aine ei vielä vaadi mitään uutta hiukkasfysiikkaa Standardimallin tuolta puolen.
33 kommenttia “Konservatiivisuuden nokareet”
-
Ovatko nuo kvanttinokareet jotain aitoja pistehiukkasia vai mitä niiden sielunelämästä tiedetään? Vaikuttaa aika ad hokkuspokkus -hiukkaselta. Ja millainen autisti alkaa metsästämään joitain teoreettisen aasinsillan mahdollistaman fluktuaation kautta loihdittuja näkymättömiä hiukkasia?
Mutta eiköhän pari uutta kvanttitermiä Lagrangen tiheyteen tuo valoa tähän pimeyteen 🙂
-
Niiden halkaisija on Planckin mittakaavan luokkaa, eli noin 10^(-34) m.
Toivon, että tällä palstalla esitetyt kommentit ovat jatkossa asiallisia. Muuten niitä ei julkaista. Toistuvasti asiattomia kommentteja lähettäville tulee pysyvä kielto.
-
-
Hei. En ole varma olinko kärryillä aiempien tekstien kanssa, mutta eikö pimeän aineen pitäisi kasautua ”huonommin” kuin tavallinen aineen? Miten tämä sopii yhteen tuon musta-aukko selityksen kanssa?
Aimepi lainaus:
”Ajatus siitä, että pimeä aine olisi osa hiukkasfysiikan sektoria, joka on samanlainen kuin näkemämme, mutta vain meiltä piilossa, ei ole uusi. Se ei voi pitää paikkaansa, koska havaittu pimeän aineen klimppiytyminen on erilaista kuin näkyvän aineen. Näkyvä aine menee pimeää ainetta enemmän kasaan, koska se voi jäähtyä sähkömagneettisten vuorovaikutusten takia.”-
Pienistä mustista aukoista koostuva kaasu ei voi jäähtyä sähkömagneettisten vuorovaikutusten kautta, sen enempää kuin heikosti vuorovaikuttavista hiukkasista koostuva kaasu.
Tavallinen aine jäähtyy muodostamalla molekyylejä, jotka säteilevät energiaa pois.
-
-
Kuinka hyvin pienet mustat aukot sopivat Luotijoukosta (Bullet Cluster) saatuihin havaintoihin?
-
Kirjoitin luotiryppäästä täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/
Havainnot luotiryppäästä rajoittavat sitä, miten vahvoja vuorovaikutuksia pimeän aineen osasilla voi olla toistensa kanssa gravitaation lisäksi.
Pienillä mustilla aukoilla vuorovaikuttavat toistensa kanssa käytännössä vain gravitaation kautta, eli ne sopivat havaintoihin erinomaisesti.
-
-
Tämä saattaa olla tyhmä kysymys, mutta kysyn kuitenkin: Eikö mustan aukon ominaisuuksiin kuulu aina riittävän suuruinen massa ja painovoima, jolla se estäisi myös valon ”karkaamisen”? Miten kymmenen mikrogramman painoiseksi kutistunut mustan aukon nokare (kvanttinokare) voi olla painovoimaltaan niin suuri, että se pysyy mustana aukkona ja toimii selittäjänä pimeälle aineelle ?
-
Mustien aukkojen painovoima on sama kuin minkä tahansa muunkin samanmassaisen kappaleen. Jos Aurinko puristuisi mustaksi aukoksi, se ei vaikuttaisi planeettojen ratoihin.
Mustien aukkojen massa voi olla miten pieni tahansa (oletettavasti vain tuohon Planckin massaan asti), oleellista on se paljonko massaa on niiden säteen sisällä.
-
Vastauksen alkuosan yhteyttä tekemääni kysymykseen en ymmärrä.
Itse kysymykseeni palatakseni on pakko tehdä jatkokysymys, johon toivon vastauksen, jonka maallikkokin tajuaa: Kymmenessä mikrogrammassa on massaa kymmenen mikrogrammaa riippumata siitä, miten suuri tai pieni on mustan aukon nokareen säde. Miten siis niin kevyt kappale voi toimia mustan aukon tavoin?-
Kuten yllä kirjoitin, oleellista ei ole massa, vaan se, miten pienen säteen sisällä se on.
Miten pienestä tahansa määrästä ainetta tulee musta aukko, kunhan sen puristaa tarpeeksi pieneksi.
-
Suomennetaanko lisää?
Musta aukko nousee matematiikasta, kun gravitoiva energiatiheys nousee paikallisesti riittävän suureksi.
Musta aukko on matemaattinen olio, kunnes siitä saadaan fysikaalinen havainto. Luontohan voisikin lainalaisuuksissaan estää tapahtumahorisontin muodostumisen, vaikka harventamalla tilaa sisäisesti dr. Whon Tardis-aluksen tapaan, vrt. Shapiro…
Siksi on tärkeää, että ponnistellaan havaintojen saamiseksi, mm. EHT-projektissa, jossa pyritään ottamaan valokuva tapahtumahorisontista.
-
Pidetään yleisesti hyväksyttynä, että mustia aukkoja on havaittu. Periaatteessa eksoottisemmatkin vaihtoehdot ovat mahdollisia, mutta havainnot vastaavat mustien aukkojen ennusteita.
Ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kolmen-sukupolven-kuuntelijoita/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/useiden-sanansaattajien-aikakausi/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/veikkauksia-piparmintun-tiimoilta/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kolmas-pari-kaukaisuudessa/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/aallot-ajua-lisaa/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/meri-ei-ole-tyyni/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kohti-viimeista-rajaa/
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajapintojen_kosketuksia
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/raskasta_sarjaa
-
-
-
-
-
Voiko aika-avaruudella olla hitaus/inertia, jolloin Luotiryppään kaasujen aiheuttamat gravitaatiokuopat jatkaisivat törmäystä edeltäneisiin liikesuuntiin? Hitauden voisi ehkä myös kuvailla aika-avaruuden vuorovaikutuksena itsensä kanssa.
-
Kysymys menee sen verta ohi merkinnän aiheesta, että ei siitä tässä sen enempää.
-
-
Planckin massaisen mustan aukon maksimaalinen impulssimomentti (mPlanck*c*lPlanck) on luokkaa Planckin vakio. Herää kysymys mitä tapahtuu jos aukon impulssimomentti on puolilukuinen, eli jos meillä on fermioninen miniaukko. Bosoninen (pyörimätön, siis spin nolla) Planckin massainen aukko voi käsittääkseni hajota esimerkiksi kahdeksi fotoniksi, mutta ei liene yhtä selvää miten fermioninen Planckin massainen aukko voisi hajota. Vai onko? Kysymys taitaa palautua siihen että säilyttääkö aukko leptoniluvun kaltaisen ominaisuuden vai pitääkö no hair -teoreema ottaa kirjaimellisesti myös mikroskooppisille aukoille.
Ajatus olisi siis että jossain vaiheessa alkuräjähdystä sekä bosonisia että fermionisia pieniä aukkoja olisi muodostunut, vieläpä eri kokoisia, mutta bosoniset aukot olisivat sittemmin haihtuneet säteilyksi ja fermionisetkin melkein, paitsi että niistä olisi jäänyt Planckin massainen hajoamaton jäännös.
-
Planckin skaalan tapahtumista ei tiedetä mitään varmaa.
-
Nii-in. Entä jos tehdään hypoteesi että Planckin epookissa syntyi stabiileja Planckin massaisia aukkoja (ottamatta kantaa mekanismiin), voisiko kyseisiä aukkoja olla inflaation jälkeen vielä riittävän tiheässä selittämään pimeän aineen?
-
Ei, koska inflaatio pyyhkisi ne pois.
Yksi inflaation alkuperäinen motivaatio 80-luvulla oli juuri se, että se siivoaa kaiken aiemman pois. Yksi esimerkki olin silloin suosiossa olleiden yhtenäisteorioiden monopolit, jotka käyttäytyvät oleellisesti samalla tavalla kuin pienet mustat aukot mitä pimeään aineeseen tulee. Ongelmana oli se, että niitä laskettiin syntyvän liikaa yhtenäisteorioiden olomuodon muutoksissa.
-
Onhan se vuorovaikutus tosiaan varsin heikko, esimerkiksi jos on neutroni yhden femtometrin päässä Planckin massaisesta aukosta, niiden välisen gravitaatioattraktion energia on vasta 1.5e-11 eV, eli vastaa alle mikrokelvinin lämpötilaa.
Asiaa voi kuitenkin katsoa vähän toisestakin näkökulmasta. Jos massallinen hiukkanen on aukosta vaikka kahden ångströmin päässä (tyypillinen atomien välimatka kiinteässä aineessa), sen kokema gravitaatiokiihtyvyys on ihan mukavalta kuulostava eli rakettimainen 3.7g. Viidentoista nanometrin päässä kiihtyvyys on sama kuin Auringon gravitaatiokenttä Maan etäisyydellä eli 0.6 milligeetä. Ongelma on vielä se että aukot yleensä viilettävät nopeasti ohi eivätkä liiku samaa nopeutta kuin laboratorio, paitsi jotkut harvat. Kuitenkin, jäähdyttämällä aineet ja menemällä avaruuteen, en sulkisi pois mahdollisuutta että tuosta saattaisi jonain päivänä jotain mittausmahdollisuutta irrota.
-
-
-
-
-
Mustan aukon haihtumisnopeus voittaa kasvamisen kun sen Hawkingin säteily on ympäristöä kuumempaa. Kun primordiaaliset aukot pienentyvät haihtumalla, ne siis kontribuoivat ympäristöään kuumempaa, ei-termistä säteilyä. Eli aukot loistavat kuin mikrotähdet ja kuumentavat ainetta uudelleen, vähän samoin kuin myöhemmin ensimmäiset tähdet ionisoivat kaasua uudelleen. Meneekö tämä aukkojen haihdunta ajallisesti päällekkäin Higgsiin liittyvän reheating-vaiheen kanssa, ja pystyykö aukkojen ja Higgsin suhteellisia kontribuutioita lämmitykseen vertaamaan kvantitatiivisesti?
-
Mustien aukkojen säteily on termistä. Niiden ja ympäristön lämpötilan suhde riippuu aukon massasta ja ympäristön lämpötilasta: mustat aukot voivat olla kuumempia tai kylmempiä kuin ympäristö. (Esimerkiksi nykyiset Auringon massaiset mustat aukot ovat paljon ympäristöä kylmempiä.)
Jos kyse on tapauksesta, missä pimeä aine on mustia aukkoja, niin ne muodostuvat reheatingissa syntyneestä aineesta ja tyypillisesti haihtuvat kauan reheatingin jälkeen.
-
-
Räsänen: Jos pimeä aine on mustien aukkojen nokareita, niin sitä ei luultavasti koskaan tulla havaitsemaan muuten kuin gravitaation kautta. Kymmenen mikrogrammaa on tähtien tai ihmisten mittakaavassa vähän, mutta hiukkasfysiikassa valtavan paljon, 10^(16) kertaa enemmän kuin tyypillisten nynnyjen massa. Pimeän aineen massatiheys tiedetään havainnoista, joten mitä isompi on yksittäisen nokareen massa, sitä vähemmän niitä on. Nokareita olisi siis 10^(16) kertaa vähemmän kuin tyypillisiä nynnyjä. Niinpä nokareiden törmäyksiä tavalliseen aineeseen tuskin koskaan nähdään, vaikka niiden vuorovaikutukset eivät olisikaan äärimmäisen heikkoja. Nokareet eivät enää säteile eivätkä hajoa, joten taivaalta ei näy mitään niistä tulevaa säteilyä, eivätkä ne vaikuta tähtien kehitykseen. Voisi siis olla hyvin vaikea osoittaa, että juuri ne ovat pimeää ainetta.
10 mikrogrammaa on hiukkasfysiikassa valtavan paljon. Kun kuitenkin WIMPejäkin (ja julmasti kevyempiä axionejakin) tietysti metsästetään, niin eikö periaatteessa myös älytömän julmasti raskaampia ”nokareitakin” voisi, vaikka niitä vastaavasti olisi häviävästi harvemmassa.
Osaatko kuvitella mitään metodia (joko standarditeorian puitteissa tai ulkopuolisten mallien puitteissa) joissa voisi edes teoreettisesti osoittaa niiden olevan pimeää ainetta (tai että niitä ylipäätään on olemassa)? Potku on potku vaikka niitä olisi harvassakin.Ymmärrän kuitenkin että nykykeinoin asia on (ehkä) mahdoton. Vai onko peli kokeellisesti menetetty?
-
Nokareiden vuorovaikutuksia muiden hiukkasten kanssa ei tunneta, mutta oletettavasti ne ovat erittäin heikkoja.
Mieleeni ei tule mitään tapaa käytännössä havaita niitä nähtävissä olevan teknologian avulla muuten kuin gravitaation kautta.
-
Voisiko ohikulkeva musta aukko aiheuttaa jotain harvinaisia leptoni- tai baryonilukua rikkovia prosesseja, jos pätee että aukon ainoat parametrit ovat massa, pyörimismäärä ja sähkövaraus? Esim. että yksi protonin kvarkeista putoaa ohikulkevaan aukkoon ja tulee hetken päästä ulos sieltä Hawkingin säteilyn fotonina.
-
Nokareiden fysiikkaa ei juuri tunneta, mutta niiden lukumäärätiheys on niin pieni (Maapallon kohdalla noin yksi per kymmenentuhatta kuutiokilometriä), että niiden ei-gravitaatio-vuorovaikutuksen havaitseminen vaikuttaa toivottomalta.
-
-
-
-
https://arxiv.org/pdf/1810.12218
Primordiaalisten kuu-kokoluokan kokkareiden observointi-ideointia.
-
Räsänen: ”tai jäljelle jää Planckin massan (kymmenen mikrogrammaa) painoinen kvanttinokare”.
”Kvanttinokare” on vähän epämääräisesti sanottu (ei ainakaan kuullosta minun korvaan kovin tieteelliseltä). Voitko selventää? Todennäköisesti on kuitenkin kysymys baryonisesta (?) aineesta, vai mistä? (eli minkä kentän ”nokare?). Kun kerta toinen vaihtoehto on ”haihtuu kokonaan”.
-
Kyseessä ei ole baryoninen aine, vaan pienet mustat aukot.
-
-
Andrei Linden kaoottisessa inflaatiomallissa havaittava maailmankaikkeutemme olisi tullut halkaisijaltaan 10^-35 metrin eli Planckin pituuden suuruisesta hipusta, johon yhtyi erittäin suuri energiatiheys noin 10^94 grammaa kuutiometrissä tuottaen kokonaismassan 10^-5 grammaa eli Planckin massan, eli saman ”pölyhiukkasen” massan. Ovatko nämä luvut vain yhteensattuma? Vai onko ero kuumuuden valtavassa energiassa?
-
Molemmissa on kyseessä Planckin mittakaava (oli se sitten tiheys, pituus tai massa, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaymattomista-korpimaista-vihoviimeinen/), jossa kvanttigravitaatiota ei enää voi jättää huomiota ja tullaan ymmärryksemme rajalle.
-
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Toisen kauden kuviot
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Toismaailmallinen arki
Vastaa
Miksi on turha etsiä seuraavaa Einsteinia
Puhun Tieteen päivillä lauantaina 12. tammikuuta 2019 kello 14.30 Porthanian salissa PI luentosarjassa Rohkeaa tutkimusta luonnontieteissä otsikolla Rohkeus ja rakenteet: miksi on turha etsiä seuraavaa Einsteinia. Puheen tiivistelmä on seuraava (Tieteen päivien kirjassa on myös artikkelini aiheesta.)
Tänä vuonna tulee kuluneeksi sata vuotta siitä, kun kokeellisesti osoitettiin, että Auringon gravitaatio taivuttaa valonsäteitä. Havainto vahvisti yhden yleisen suhteellisuusteorian keskeisistä ennustuksista ja teki Albert Einsteinista maailman ensimmäisen tiedejulkkiksen.
Käsitys Einsteinista yksinäisenä nerona ja tieteilijän perikuvana on sittemmin riivannut tiedettä. Sikäli kun kuva pitää paikkansa, se on poikkeus. Siltä osin kun se ei pidä paikkaansa, se on huomattavasti opettavaisempi.
Yleisen suhteellisuusteorian, maailmankaikkeuden laajenemisen ja pimeän aineen ja maailmankaikkeuden laajenemisen tutkiminen halki vuosisadan osoittaa, millaista tieteen tekeminen on. Parhaatkin tutkijat ovat toisinaan täysin väärässä, edistys syntyy tutkijoiden tiiviistä vuorovaikutuksesta, ja havainnot ovat korvaamattomia sen selvittämisessä, mikä on totta ja mikä vain toivetta.
Ajatus tieteestä yksinäisten nerojen pelikenttänä vääristää yhä käsitystä tieteestä, niin tutkijoiden kuin rahoittajien parissa. Tutkimuksen vaaliminen on pitkäjänteinen prosessi, jossa pitää nostaa koko tutkijayhteisön valmiuksia ja luoda ympäristö, joka helpottaa myös vaikeiden, aikaa vievien ja kiistanalaisten ideoiden tutkimista. Sen sijaan yhä suurempi osa rahoituksesta on kilpailtua, ja tutkimusrahoitusta haettaessa tutkijoiden odotetaan lupaavan mahdollisia läpimurtoja ja liioittelevan tutkimuksen merkitystä. Mikä vaikutus tieteeseen on sillä, että tutkijoita ohjataan harkittuun ja järjestelmälliseen epärehellisyyteen asiassa, joka on keskeinen uralla etenemiselle?
Päivitys (19/01/19): Puhun samasta aiheesta myös Oulun ja Mikkelin Tieteen päivillä, ajat ja paikat täällä.
6 kommenttia “Miksi on turha etsiä seuraavaa Einsteinia”
-
Tässä saattaa olla merkittäviä alakohtaisia eroja. Oma kokemukseni on nimittäin suunnilleen päinvastainen, sikäli kun näissä ”pehmeissä” asioista vastakohdista on mielekästä puhua. Koen että maailma on siinä mielessä pieni että ”einsteineja” jotka vievät sitä eteenpäin on vähän, ehkä sama määrä kuin Einsteininkin aikana. Koen myös että rahoitus ohjautuu hyvin vahvasti vanhan viilaamiseen uuden keksimisen sijasta. Esimerkiksi paljon tutkimusrahaa käytetään vetytalouden moninaisten teknisten haasteiden voittamiseen, mutta juuri yhtään ei siihen että ammoniakkia käyttämällä niitä ongelmia ei tarvitsisi edes ratkaista. Vain yksi esimerkki.
Mutta kuten sanottu, alakohtaiset erot saattavat olla suuria. Jos ajattelen asiaa teoreettisen fysiikan ja kokeellisen hiukkasfysiikan näkökulmasta, luullakseni pystyn kuvittelemaan mitä kautta olet johtopäätökseen tullut. Molemmat taitavat olla aloja joissa työ lienee usein systemaattisenoloista puurtamista ja läpimurrot usein syntyvät sen puurtamisen pohjalta.
-
Kai nyt edes Newtonia saa kutsua ”yksinäiseksi neroksi”, kun kehittää toimivan painovoimateorian sellaisen pähkähullun ajatuksen pohjalta, että voima voi välittyä ilman suoraa kosketusta?
Mitä tähän päivään tulee, niin esim. Brian Greene tekee tieteelle karhunpalveluksen, kun maalaa täysin polarisoituneen kuvan tieteen eturintamasta. Sellainen Hollywood-meininki keskittää suuren yleisön huomion vain säikeisiin ja sankaritarinoihin, vaikka teknologisia ongelmia ratkovat tieteilijät olisivat juuri niitä, joita ihmisten tulisi lumoutuneina kuunnella. Asian toki ymmärtää, sillä nykymaailmassa tiede on ottanut uskonnon roolin.
Feynman sanoi, että Einstein ei saanu uransa toisella puoliskolla mitään aikaiseksi, koska lakkasi pohtimasta fysiikan perusilmiöitä. Ja kun ottaa huomioon tieteen nykytilan, niin itse suuntaisin rahoitusta matemaattisesta fantasiakirjallisuudesta kohti uusien teknologioiden kehittämistä.
-
Juurikin Newton on tullut tunnetuksi siitä, että hän korosti muiden tutkijoiden merkitystä: ”Jos olen nähnyt muita kauemmas, se on siksi, että olen seissyt jättiläisen olkapäillä.”
Mutta tutkimuksen tekeminen Newtonin aikaan oli niin erilaista kuin nykyään, että hänestä keskusteleminen suuntaan tai toiseen ei juuri valaise nykytilannetta.
-
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Marssi ja päivät
Millä tavoin kirjoituksesi on
otettu vastaan? Äkkiä luulisi että
rahoitus on niin keskeinen osa
erinlaisia julkaisuja tänä päivänä
että laatu kärsisi väistämättä.
Hyvin positiivisesti.
Tieteellisten lehtien rahoituksella ei ole mitään tekemistä niissä julkaistavien artikkeleiden laadun kanssa.