Kosmokseen kirjoitettua

Eilispäivän rohkeutta

24.1.2019 klo 21.45, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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.

Täältäkin on turha etsiä seuraavaa Einsteinia

18.1.2019 klo 23.46, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

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.

---

Oudompia suuntia

16.12.2018 klo 16.32, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

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.

---

Toisen kauden kuviot

7.12.2018 klo 09.18, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

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.

---

Vallankumouksen sirpaleita

2.12.2018 klo 12.24, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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.”

Sormustimen verran

28.11.2018 klo 13.55, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

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.

---

Konservatiivisuuden nokareet

18.11.2018 klo 22.50, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

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.

---

Miksi on turha etsiä seuraavaa Einsteinia

13.11.2018 klo 15.31, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

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.

---

Fantasiakirjallisuuden arvioimista

30.10.2018 klo 13.21, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Syyskuun lopussa jätin apurahahakemuksen Suomen Akatemialle, kuten noin 3 000 muutakin tutkijaa. Kaikista tieteilijän toimenkuvaan kuuluvista asioista –tutkimus, opetus, popularisointi, vertaisarviointi, hallinto, konsultointi– apurahojen hakeminen on turhauttavinta. Tutkijat usein valittavat siihen menevästä ajasta ja vaivasta. Yksi syy on se, että hakemusten laatimiseen käytetyt tunnit menevät luultavasti hukkaan, koska vain pienelle hakemuksista myönnetään rahaa. Mutta oman kokemukseni mukaan hakemusten tekeminen on raskasta myös siksi, että niiden kirjoittamisen ja muun tieteellisen työn välillä on sisällöllinen, ei vain ajallinen, jännite.

Apurahoja on erilaisia: yksittäisiä konferenssimatkoja tukevia, jatko-opiskelua vuoden kerrallaan tukevia, ja vuodesta kolmeen vuoteen väitelleen tutkijan työskentelyä tukevia. Keskityn tässä monivuotisiin hankeapurahoihin, joista Akatemian hankeapurahat ovat tyypillinen esimerkki. Niitä haetaan vuotta etukäteen neljäksi vuodeksi, ja apuraha kattaa suunnilleen hakijan jatko-opiskelijan palkan sekä matka- ja muita sekalaisia kuluja väitöskirjatyön ajaksi (tai väitelleen tutkijan palkan lyhyemmälle ajalle). Hiukkaskosmologian alalla tämä tarkoittaa sitä, että hanke rahoittaa tutkimusta kolmen artikkelin verran – oikeastaan rahoitus on vain osittaista, koska jatko-opiskelija ei tee tutkimusta yksin vaan yhteistyössä muiden kanssa.

Tästä huolimatta hakemukset pitää laatia kuin hankkeessa olisi kyse merkittävästä harppauksesta, ei vain tavallisesta tutkimuksesta, joka etenee pienin askelin ja odottamattomiin suuntiin. Ristiriitaisesti samalla hakemuksiin kuitenkin pitää laatia tarkat askelmerkit etenemisestä vuosi vuodelta ja aikataulu tulevista tuloksista. Ei siis riitä, että pitää suurennella tutkimuksen merkitystä, vaan pitää myös sepittää sen yksityiskohtainen kulku. Todellisuudessa ei voi tietää viittä vuotta etukäteen miten kaikki tulee sujumaan, ellei mistään muusta syystä, niin siksi, että maailmassa on tuhansia muitakin tutkijoita, joiden löytöjä ja oivalluksia ei kukaan pysty etukäteen arvaamaan.

Kyse on eräänlaisesta fantasiakirjallisuudesta, jossa sekä kirjoittaja että lukija tietävät, että teksti ei ole totta, mutta ihanteena on saavuttaa suspension of disbelief, tila, jossa pystyy laittamaan syrjään sen, että kyseessä on kuvitelma.

Kun tehdystä tutkimuksesta raportoidaan tieteellisissä artikkeleissa, ihanteena on asioiden esittäminen mahdollisimman totuudenmukaisesti, mihin kuuluu työn laittaminen oikeisiin raameihin ja sen puutteiden ja rajoitusten läpikäyminen. Apurahahakemukset ovat tyystin toisenlainen ilmaisun muoto, joka muistuttaa sijoittajien houkuttelemista: niissä myydään tavallista tutkimusta mahdollisena läpimurtona jo ennen kuin sitä on tehty. Luultavasti usein hakemuksissa markkinoitua tutkimusta ei lopulta edes tehdä, koska vain tutkimus voi osoittaa, mitkä tutkimuskysymykset ovat kiinnostavia ja mihin suuntaan kannattaa edetä. (En tiedä millaista riippumatonta seurantaa tästä on tehty, olisi mielenkiintoista lukea tutkimus siitä, miten hakemukset ja toteutunut tutkimus suhtautuvat toisiinsa.)

Apurahat eivät ole erityistä panostusta yliopiston perustehtävien päälle, vaan niillä rahoitetaan myös yliopiston perustoimintaa. Esimerkiksi yliopiston tutkijoiden velvollisuuksiin kuuluu jatko-opiskelijoiden ohjaaminen, ja heitä rahoitetaan usein ohjaajien apurahoilla.

Tilanteen tekee entistä ongelmallisemmaksi se, että hakemusten arvioimisessa on paljon sattumanvaraisuutta. Tämän näkee siitä, miten peräkkäisinä vuosina sama hakemus voi saada aivan erilaisia arvioita: yhtenä vuotena heikkoutena pidetyt piirteet voidaan seuraavana vuonna lukea vahvuudeksi (ja hakemus saada rahoituksen), tai päin vastoin.

Eräs kollegani kertoi, että kun hän haki arvostettua European Research Councilin (ERC) apurahaa, kielteisen arvion perusteluna käytettiin mm. sitä, että suuri osa hänen tutkimuksestaan on julkaistu osana kansainvälistä IceCube-tutkimusryhmää, eikä siis kerro hänen omasta osaamisestaan. Mielenkiintoinen peruste ottaen huomioon, että hakijalla ei itse asiassa ollut ainuttakaan paperia IceCuben kanssa. (Henkilö lähti sittemmin Euroopasta australialaisen yliopiston fysiikan laitoksen johtajaksi.) Mainittakoon, että ERC-hakemusten tekemiseen suositellaan käyttämään vähintään kaksi viikkoa täysipäiväistä työaikaa. Myös akatemiahakemuksen tekemiseen kuluu helposti työviikko, ja hakemuksista on tullut entistä raskaampia vuosien varrella. Tuo ERC-tapaus oli poikkeuksellisen räikeä, mutta selvät faktavirheet arvioissa eivät ole harvinaisia.

Arvioijat ovat tiedeyhteisön jäseniä, joilla ei yleensä ole mitään koulutusta hakemusten arviointiin. Helsingin yliopiston kolmevuotisten apurahojen arviointilautakunnassa istuneena voin todeta, että siinä ei myöskään tarjottu mitään opastusta esimerkiksi omien ennakkoluulojen huomioimiseen arvioinnissa, eikä Akatemiankaan ohjeissa näytä sellaista olevan. Tämä on tavallista: ainoa omalle kohdalleni sattunut poikkeus on Iso-Britannian Royal Society, jonka arvioijille lähetettävään materiaaliin kuuluu teksti- ja videoperehdytys tiedostamattomien ennakkoluulojen huomioimiseen. Tällaisen puute haittaa erityisesti naisia, koska heihin kohdistuu haitallisia ennakkoluuloja.

Apurahaprosessin satunnaisuus ja ongelmat kasautuvat, koska myönnettyjä apurahoja voidaan käyttää kriteerinä seuraavien apurahojen myöntämisessä. Lisäksi ongelmat leviävät muualle tieteelliseen toimintaan, koska apurahojen saamista käytetään tutkijoiden laadun mittarina. Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaani Kai Nordlund onkin todennut, että rahoituksen saaminen on eräs tärkeimpiä meriittejä tieteellisellä uralla etenemiseen, ja se on usein ratkaiseva tekijä professuureja ja muita pysyviä työpaikkoja täytettäessä silloin kun hakijat ovat muuten saman tasoisia. Erityisesti isojen ulkomaisten apurahojen, kuten ERC:n apurahojen, saaminen on noussut yhä tärkeämmäksi. (Sanottakoon, että Helsingin yliopiston fysiikan osasto on menestynyt hyvin apurahojen hakemisessa niin Suomen Akatemialta, ERC:ltä kuin muualtakin.)

Apurahahakemusten laatimisessa on hyvätkin puolensa: siinä pysähtyy miettimään tutkimustaan laajemmasta näkökulmasta ja miettineeksi suuntaa tavallista pidemmälle. Tämä ei kuitenkaan kumoa niitä ongelmia, mitä aiheutuu siitä, että yliopistojen toimintaa, mukaan lukien perustoimintaa, rahoitetaan yhä enemmän kilpaillulla rahoituksella.

Sen lisäksi, että hakemusten tekemiseen haaskaantuu vuosittain kymmeniä tuhansia työpäiviä, sopii kysyä, mikä vaikutus tutkimuksen kenttään on sillä, että tutkijoita koulitaan ajattelemaan tiedettä tavalla, joka näyttää hyvältä hakemuksissa, joiden kriteerit eivät vastaa tutkimuksen todellisuutta ja lupaamaan läpimurtoja hitaamman, perusteellisemman ja arvaamattomamman tutkailun sijaan.

On myös kyseenalaista, onko empiiristä näyttöä siitä, että kilpailutus parantaa tutkimuksen tasoa. Suomi muuten sattuu erään tutkimuksen olemaan malliesimerkki kilpaillun rahoituksen osuuden ja tutkimuksen tehokkuuden välisestä negatiivisesta korrelaatiosta. Tosin, kuten kirjoittajat itsekin toteavat, tarvittaisiin enemmän dataa luotettavien johtopäätösten vetämiseen, mutta heidän arvioonsa ”most of science policy is hardly evidence based” (suurin osa tiedepolitiikasta tuskin perustuu todistusaineistoon) on helppo yhtyä.

Kasvavan kilpailun vaihtoehto on yksinkertainen: kilpaillun rahoituksen osuuden pienentäminen. On erilaisia ideoita siitä, miltä täysin erilainen rahoitustapa näyttäisi, ja niiden hyötyjä ja haittoja olisi syytä pohtia vakavasti. Vaatimaton askel oikeaan suuntaan olisi jatko-opiskelijoiden rahoituksen siirtäminen enimmäkseen kilpaillusta rahoituksesta enimmäkseen yliopistojen tohtoriohjelmien rahoitukseksi ja muun perustoiminnan rahoittaminen vakaalla rahoituksella.

Kilpaillun osan rahoitusta arviointia tulisi lisäksi parantaa: jos arvioita on tarkoitus käyttää tieteellisen laadun arvioimiseen, niiden pitäisi olla toistettavia, arvioijat pitäisi perehdyttää työhönsä asianmukaisesti ja kannustimia pitäisi muuttaa siten, että hakemusten sisältö vastaa tutkimuksen todellisuutta, sen sijaan että olisi irrallinen fantasiamaailma.

Päivitys (01/11/18): Kirjoitus on julkaistu uudelleen Yliopistokäänteen sivuilla, ja Suomen Akatemian tiedeasiantuntija Vera Mikkilä on kommentoinut sitä Twitterissä.

Ikiliikkujan pysäyttäminen

19.10.2018 klo 23.17, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Ensi viikko on tieteen Open Access Week, ja keskiviikkona 24.10. on kello 12-14 Tiedekulmassa tutkimuksen avoimuuteen keskittyvä tilaisuus Kuka omistaa julkaisusi. Tilaisuuden Twitter-tunniste on #kukaomistaajulkaisusi. Minua pyydettiin mukaan, mutta koska olen Palestiinassa, osallistun vain lyhyellä etukäteen nauhoitetulla puheenvuorolla, joka esitetään paneelikeskustelun virikkeeksi. Olen aiemmin kirjoittanut aiheesta täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä, ja muutaman vuoden takainen puheeni asian tiimoilta löytyy täältä.

Aihe on ajankohtainen, koska 4. syyskuuta julkistettiin kymmenen kohdan ohjelma Plan S open accessin toteuttamisesta Euroopassa. Open access tarkoittaa sitä, että tutkimus on kenen tahansa ilmaiseksi luettavissa. Suunnitelman takana on joukko Euroopan kansallisia tiedettä rahoittavia instituutioita, Euroopan komissio ja Euroopan tiedeneuvosto ERC. Suomen Akatemia, joka on (opetusministeriön jälkeen) Suomen tärkein tutkimuksen rahoittaja ilmoitti syyskuun 24. päivä tukevansa Plan S:n tavoitteita ja olevansa mukana edistämässä niitä. Myös nuoria tutkijoita edustavat Euroopan väitöskirjatutkijoiden neuvosto, Marie Curie -alumnien järjestö ja Young Academy of Europe ovat ilmaisseet tukensa.

Plan S:n ydin on se, että vuoden 2020 alkuun mennessä –alle kahden vuoden kuluttua– kaikki tutkimus, jota siihen osallistuvat tahot ovat rahoittaneet, pitää julkaista open accessina.

Nykyään tiedeyhteisö maksaa tieteellisille kustantajille ensin siitä, että tutkimus julkaistaan ja sitten siitä, että sen saa lukea. Open accessin tavoitteena on poistaa jälkimmäinen kustannuserä, ja Plan S on merkittävä askel kohti tätä. Suunnitelmassa on monia hyviä puolia, kuten se, että osallistuvat tahot luovat tarvittaessa kannustimia open access -julkaisujen perustamiselle ja rahoittavat niitä. Tärkeää on myös se, että rahoittajat seuraavat vaatimuksien noudattamista ja rankaisevat niiden rikkomisesta: ilman seurauksia Plan S uhkaisi jäädä vain yhdeksi julkilausumaksi muiden joukossa.

Harvardin yliopiston Open Access Project -hankkeen  johtaja Peter Suberilla on Plan S:stä tarkkanäköisiä kommentteja. Joukko eurooppalaisia tutkijoita on julkaissut suunnitelman vastaisen vetoomuksen, joka on sekin lukemisen arvoinen, vaikka en arvostelua täysin allekirjoitakaan.

Plan S:n vahvuus on se, että se on tieteentekijöiden ja heidän rahoittajiensa välinen sopimus. Open access -toiminnan yksi kompastuskivi on ollut kustantajakeskeisyys. Neuvotteluissa on yritetty vaikuttaa tieteellisiin kustantajiin, jotta nämä muuttaisivat lehtensä avoimesti luettaviksi ja laskisivat hintojaan. Tässä on kaksi ongelmaa.

Ensinnäkin kaupallisten kustantajien tavoitteena on voittojen maksimointi, joten niillä ei ole syytä laskea hintoja kuin pakon edessä. Niin kauan kuin tieteilijät antavat niille tutkimuksensa ilmaiseksi ja ostavat sen sitten takaisin, miksi muuttaa mitään? Tässä on hyvä historiikki tieteellisen kustantamisen kehittymisestä bisnekseksi, jota yksi sen perustajista kuvaili termillä ”perpetual financing machine”, jonka voi vapaasti suomentaa ”kassavirtojen ikiliikkujaksi”.

Toisekseen, tieteellisten kustantajien tarjoamat palvelut ovat vertaisarviointia lukuun ottamatta tarpeettomia, joten niiden hinnasta kiisteleminen on toissijaista. Mitä tulee julkaisujen avoimeen saatavuuteen, se on fysiikassa ja matematiikassa toteutettu jo yli 25 vuotta sitten: julkaisut laitetaan ilmaiseen nettiarkistoon arXiv, josta ne ovat kaikkien luettavissa.

Todellinen ongelma on vertaisarvioinnin järjestäminen kustannustehokkaalla tavalla. Tämäkin on ratkaistu: nk. overlay-lehdessä artikkelit julkaistaan vain ilmaisessa arkistossa kuten arXivissa, ja lehti hoitaa ainoastaan sen mihin sitä tarvitaan, eli vertaisarvioinnin. Tämä ei ole utopiaa, vaan toimiva julkaisumalli, jonka tunnetuin esimerkki on matematiikan lehti Discrete Analysis, jonka toimituskuntaan kuuluvat mm. Fields-mitalistit Tim Gowers ja Terence Tao. Omalla alallani on juuri aloittanut Open Journal of Astrophysics, ja muita esimerkkejä löytyy täältä.

Overlay-lehdet säästävät tieteellisen julkaisemisen kuluja tekijällä 400-500 verrattuna nykytilanteeseen ja tekijällä 100-200 kertaa verrattuna tilanteeseen, missä open access olisi kokonaan toteutunut. Mutta siinä missä arXiv kasvoi fysiikassa ja matematiikassa nopeasti tutkimuksen pääasialliseksi viestintäkanavaksi, overlay-lehdet ovat jääneet poikkeukseksi julkaisemisen kentällä.

Syynä on se, että koska tutkijat eivät maksa julkaisemisesta omasta budjetistaan, heillä ei ole syytä kiinnittää huomiota sen hintaan. Niinpä tieteilijät lähettävät artikkelinsa julkaistavaksi tuttuihin vanhoihin lehtiin, joilla on hyvä maine. Samasta syytä heitä ei kiinnosta käyttää aikaa overlay-lehtien perustamiseen.

Onkin valitettavaa, että Plan S:ssä mainitaan ilmaisten arkistojen merkitys ainoastaan arkistoimisen kannalta, ei julkaisemista ajatellen. Kun Plan S:ssä jo sitoudutaan uusien lehtien perustamiseen ja rahoittamiseen, seuraava askel olisi sen tekeminen tavalla, joka on nykyaikainen, kustannustehokas ja lähtee tiedeyhteisön, ei kaupallisten kustantajien, tarpeista.

Päivitys (05/11/18): Avoimen tieteen iltapäivän keskustelusta voi lukea täältä. Mukana on myös video keskustelusta, mukaan lukien lyhyt puheenvuoroni.