Kosmokseen kirjoitettua

Kuolevainen myytin takana

14.3.2018 klo 23.57, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Fyysikko Stephen Hawking kuoli tänään. Hawkingin asemaa kuvaa se, että kosmologit ovat kiinnittäneet huomiota siihen, että WMAP-satelliitin mittaamassa kosmisesta mikroaaltotaustassa näkyy hänen nimikirjaimensa. Tarkoituksena oli muistuttaa siitä, että ihmisillä on taipumus kuvitella kohinaa signaaliksi, mutta se ei ole sattumaa, että asiaa havainnollistamaan valittiin juuri Stephen Hawking.

Vielä eilen Hawking oli tunnetuin elävä fyysikko. Vaikuttava henkilökohtainen tarina, joka on yhtä lailla riipaiseva ja kannustava, yhdistettynä hänen kirjaansa Ajan lyhyt historia, nosti Hawkingin poikkeukselliseen valokeilaan. Tätä ei varsinaisesti hidastanut Hawkingin taipumus liioitella tulostensa luotettavuutta ja olla erottelematta sitä, mikä on varmennettua ja mikä spekulaatiota. Kun toimittajat ovat sekoittaneet oman lisänsä soppaan on sitten saatu lukea mitä kummallisimpia juttuja siitä, mitä Hawking on muka sanonut. Häntä on nimitelty maailman suurimmaksi neroksi, yhdeksi maailman kymmenestä viisaimmasta ihmisestä ja niin edelleen.

Hawkingia verrataan usein Albert Einsteiniin, ja paljon puhuva on Star Trek: The Next Generationin kohtaus, jossa Hawking päihittää sekä Einsteinin että Isaac Newtonin. Vertaus on kyllä osuva ainakin siinä suhteessa, että Einstein oli ensimmäinen tiedejulkkis. Hawking oli fysiikan ylipappi, julkisessa mielikuvituksessa Charles Xavierin kaltaisiin supersankarimaisiin mittoihin kohoava yleisnero.

Hawkingiin suhtauduttiin poikkeuksellisesti myös tiedeyhteisössä. Yleensä tämä ei liittynyt niinkään hänen tutkimukseensa kuin legendaansa. Minunkin ensimmäinen kosketukseni Hawkingiin oli koulukaverin hyllyssä oleva Ajan lyhyt historia. En lukenut kirjaa, mutta sen kannessa olevat tähdet tai galaksit, Hawking pyörätuolissa ja teoksen maine ovat kiinteä osa 80-luvun lopun muistojani.

Vaikka Hawkingin julkinen kuva laukkasi todellisuuden tuolle puolen, hänen tieteelliset saavutuksena olivat mittavat. Kuten Helsingin Sanomille kommentoin, Hawking ei ollut viime vuosisadan jälkipuoliskon merkittävimpiä fyysikoita tai edes kosmologeja, mutta omalla alallaan, gravitaation tutkimuksessa, hän oli kiistatonta kärkikaartia.

Hawkingin merkittävimmät tulokset liittyvät mustien aukkojen säteilyyn ja singulariteetteihin.

Vuonna 1972 Jacob Bekenstein ehdotti ajatuskokeen perusteella, että mustilla aukoilla olisi entropia. Tämä tarkoittaa sitä, että niillä on sisärakennetta: kaksi suunnilleen saman näköistä mustaa aukkoa, kuten kaksi kiveä, voivat poiketa toisistaan merkittävästi sikäli, että niiden sisällä palaset ovat hieman eri järjestyksessä. Ajatus poikkesi radikaalisti yleisestä suhteellisuusteoriasta, missä kaikki mustat aukot joilla on sama massa ja sähkövaraus, ja jotka pyörivät yhtä nopeasti, ovat tismalleen samanlaisia.

Hawking oli vuonna 1971 osoittanut, että mustien aukkojen pinta-ala ei koskaan voi pienentyä, ainoastaan kasvaa. (Laskun motivaationa oli muuten tutkia, voisiko Joseph Weberin sittemmin virheellisiksi todettuja havaintoja gravitaatioaalloista selittää mustien aukkojen avulla. Tämä on muistutus siitä, että löytöjä voi tehdä väärissäkin suunnissa, eikä tieteen etenemistä voi ennustaa tai kanavoida viisivuotissuunnitelmiin.) Tämän kokemuksen pohjalle rakentaen Hawking vuonna 1974 tutki kvanttikenttiä mustan aukon ympäristössä. Hän osoitti, että kvanttikenttien takia mustalla aukolla tosiaan on entropiaa ja se säteilee lämpösäteilyä kuten Bekenstein oli esittänyt. Tämän Hawkingin säteilyn lämpötila on kääntäen verrannollinen massaan: kun aukko säteilee energiaa pois ja menettää massaa, sen lämpötila kasvaa.

Tulos oli vallankumouksellinen. Se osoitti, että yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttikenttäteorian, jotka on kehitetty aivan eri lähtökohdista, välillä on jokin side, jota ei toistaiseksi ymmärretä. Lisäksi niiden yhdistäminen tuo yllättäen mukaan myös lämpötilaan liittyviä ilmiöitä käsittelevän fysiikan haaran, termodynamiikan. Mustat aukot ovat näiden kolmen teorian risteyksessä. Siitä, mikä mustien aukkojen sisärakenne tarkalleen ottaen on, ei ole vielä selvyyttä, ja niin säieteorialla kuin silmukkakvanttigravitaatiolla on siihen omat vastauksensa. Hawkingin tulos onkin ollut keskeinen kvanttigravitaatiota etsittäessä.

Singulariteetit taasen ovat paikkoja tai hetkiä aika-avaruudessa, joissa yleinen suhteellisuusteoria ei enää päde. Yksi esimerkki on maailmankaikkeuden alkusingulariteetti. Koska aineen tiheys laskee avaruuden laajetessa, menneisyydessä tiheys on ollut isompi. Äärellisen ajan päässä menneisyydessä tiheys on ääretön, eikä aika-avaruutta voi jatkaa pidemmälle. Tämä suomen kielessä harhaanjohtavasti alkuräjähdyksenä tunnettu singulariteetti tapahtui kaikkialla avaruudessa yhtenä ajanhetkenä. Toinen esimerkki on mustan aukon keskustassa oleva singulariteetti: kaikki aukkoon putoavat päätyvät sinne, eli se on kaikkien heidän tulevaisuudessaan.

Singulariteetit ovat yleisen suhteellisuusteorian kannalta kiusallisia. Niinpä keskeinen kysymys on se, ovatko ne vain poikkeuksia, jotka johtuvat laskuissa käytetyistä yksinkertaistuksista, vai kertovatko ne jotain tärkeää. Roger Penrose oli vuonna 1965 osoittanut, että mustiin aukkoihin yleisesti liittyy singulariteetti, ja vuonna 1967 Hawking sovelsi samaa ideaa laajenevaan maailmankaikkeuteen. Yhdessä Penrose ja Hawking osoittivat, että singulariteetit ovat yleinen ja oleellinen osa yleistä suhteellisuusteoria: voi sanoa, että yleinen suhteellisuusteoria ennustaa oman loppunsa (eli pätevyysalueensa rajallisuuden). Hawkingin ja George Ellisin vuoden 1973 kirja The large scale structure of space-time on singulariteettien käsittelyn armoitettu klassikko.

Näiden kahden saavutuksen lisäksi mainitaan myös usein James Hartlen ja Hawkingin vuoden 1983 ehdotus, jonka mukaan aika-avaruudella ei ole reunaa. Siinä missä Hawkingin menestys mustien aukkojen säteilyn kohdalla liittyi kvanttifysiikan soveltamiseen aineeseen, mutta ei aika-avaruuteen, reunattomuusehdotus oli kunnianhimoisempi: siinä käsiteltiin aika-avaruutta itseään kvanttifysiikan keinoin. Tämän tekeminen oikein, eli kvanttigravitaation löytäminen, on fysiikan suurimpia ratkaisemattomia ongelmia, eikä ole selvää, onko Hartlen ja Hawkingin idea vienyt lähemmäs ratkaisua. Aikanaan heidän käyttämänsä suoraviivainen kvanttikosmologinen lähestymistapa oli suosittu, mutta siitä ei ole tullut osa fyysikoiden työkalupakkia.

Hawking oli myös ensimmäisten kosmisen inflaation kvanttivärähtelyjä tutkineiden joukossa. Toisin kuin reunattomuusehdotus, inflaatio on noussut kosmologian, sekä yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan yhdistämisen, keskiöön, mutta siitä häntä ei valitettavasti yleensä muisteta – Hawking toki jakaa tällä saralla kunnian vajaan kymmenen muun tutkijan kanssa.

Itse tapasin Hawkingin vain muutaman kerran. Muistettavin oli vuonna 2006, kun kollegani ja ystäväni Thomas Hertog järjesti Hawkingin vierailun CERNissä, missä olimme postdoc-tutkijoina. Tapaus oli melkoinen spektaakkeli, ja olin yllättynyt siitä, miten monet tutkijatkin kohtelivat Hawkingia kuin kuolevaisten yläpuolelle noussutta myyttistä sankaria.

Illallisella ison pöydän ääressä CERNin teoriaosaston postdocit (minä mukaan lukien) istuimme Hawkingia vastapäätä. Hawkingin kanssa puhuminen oli kuin keskustelisi Delfoin oraakkelin kanssa. Hänellä kesti kauan muodostaa virkkeitä, joten väki puhui aiheiden tiimoilta, kunnes Hawking kommentoi, jonka jälkeen monet rupesivat tulkitsemaan mitä hän oikeastaan tarkoitti.

Hawking oli menossa vierailulle Israeliin, ja erään vanhemman israelilaisen tutkijan vastattua Hawkingin kysymykseen turvallisuudesta sanomalla, että tilanne on rauhallinen ja pitää toivoa sen jatkuvan katsoin tarpeelliseksi kommentoida. Israeli oli tuolloin tiukentanut Gazan saartoa rangaistakseen palestiinalaisia Hamasin vaalivoitosta ja suorittanut ensimmäisen isoista hyökkäyksistä Gazaan. Muistutin (kenties vähemmän hienovaraisesti) siitä, millainen tilanne oli, mikä ei saanut kaikkien paikallaolijoiden varauksetonta hyväksyntää. Jatkoin keskustelua näkemyksiäni arvostelevien vanhempien tutkijoiden kanssa, kunnes Hawking sai virkkeensä valmiiksi ja sanoi olevansa kanssani samaa mieltä Gazasta ja kysyi mielipidettäni vierailusta palestiinalaisiin yliopistoihin.

Kun keskustelimme aiheesta, Hawking kertoi vastustavansa akateemista boikottia. Hänen kantansa kehittyi tilanteen pahentuessa. Vuonna 2013 juuri Hawking toi Israelin akateemisen boikotin valtavirtaan kieltäytymällä menemästä konferenssiin Israelissa, keskusteltuaan asiasta palestiinalaisten kollegoidensa kanssa. Vuonna 2009 hän oli jo tuominnut Israelin toisen ison hyökkäyksen Gazaan ja verrannut Israelia apartheid-aikojen Etelä-Afrikkaan. Vuonna 2017 hän tuki Advanced Physics Schoolia Palestiinassa. Hawking oli myös vuonna 2004 vastustanut Irakin valloitusta, kutsuen sitä sotarikokseksi.

Hawking ei ollut Einsteinin, Noam Chomskyn tai Bertrand Russellin kaltainen terävä poliittinen analysoija ja aktivisti, mutta ei myöskään tieteilijä, joka palvelisi vallanpitäjiä puheillaan tai hiljaisuudellaan. Sen lisäksi, että Hawking oli poikkeuksellisen ansiokas ja monia inspiroinut tutkija, hän pystyi tekemään omia moraalisia arvioita ja rohkeni tuoda ne esiin.

---

Käymättömistä korpimaista vihoviimeinen

28.2.2018 klo 14.49, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Blogin kommenteissa on usein mainittu Planckin mittakaava. Se onkin keskeinen käsite yrityksissä yhdistää kvanttifysiikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa, mutta ei olla varmoja, mikä sen rooli tarkalleen on. Yritän hieman valaista asiaa.

Jotkut fysiikan lait ovat samanlaisia mittakaavasta riippumatta. Esimerkiksi Newtonin gravitaatiolain mukaan kappaleet vetävät aina toisiaan puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön, olivatpa ne miten kaukana tai lähellä tahansa.

Toisissa laeissa on jokin pituus sisään leivottuna. Tämän hetken perustavanlaatuisimmassa teoriassa aineesta, hiukkasfysiikan Standardimallissa, on vain yksi mittakaava, nimittäin Higgsin hiukkasen massa. Higgs antaa massat muille Standardimallin alkeishiukkasille, ilman sitä hiukkaset olisivat massattomia. (Kvarkkien värivuorovaikutukseen liittyy myös tietty pituus, mutta sen luonne on erilainen; ei siitä tässä tämän enempää. Neutriinojen massat puuttuvat Standardimallista, eikä niiden alkuperästä olla varmoja.)

Higgsin massaan liittyy pituus 10^(-18) metriä. Tämä on Standardimallin keskeinen mittakaava, joka säätää sitä, miltä maailmankaikkeus näyttää. Jos Higgsin massa olisi pienempi, niin elektronikin olisi kevyempi, minkä seurauksena atomit olisivat toisenlaisia, eikä meitä olisi.

Hiukkasfysiikassa massa, energia, aika ja pituus liittyvät toisiinsa suoraviivaisella tavalla. Massaa vastaa energia maailman kuuluisimman yhtälön mukaisesti: E=mc^2, missä c on valonnopeus. Toisaalta energiaan liittyy aika yhtälön t=ℏ/E mukaisesti, missä ℏ on redusoitu Planckin vakio. Ja aikaan osaltaan liittyy pituus, x=ct. Kun laittaa nämä yhteen, saa tulokseksi, että massaan liittyy pituus x=ℏ/(mc).

Mitä nämä yhtälöt tarkoittavat?

Ajan ja paikan yhteys on selvä: signaali voi ajassa t kulkea korkeintaan matkan x=ct. Tämän takia pituuksilla x tapahtuviin ilmiöihin liittyvä tyypillinen aika on vähintään t=x/c. Mitä pienempi ilmiön mittakaava on, sitä nopeammin se tyypillisesti tapahtuu. Ajan ja energian suhde on samanlainen: mitä isompi energia ilmiöön liittyy, sitä kiihkeämmin se voi käydä.

Kun hiukkaskiihdyttimissä luodataan korkeita energioita, tutkitaan myös pieniä etäisyyksiä: nyt on päästy 10^(-20) metriin asti. Standardimalli voi itsessään olla pätevä vielä paljon pienemmillä etäisyyksillä ja korkeammilla energioilla. Mutta kun kvanttifysiikka yhdistetään yleiseen suhteellisuusteoriaan, kuvioihin tulee gravitaatiosta Planckin mittakaava, joka rajaa Standardimallin pätevyysaluetta. Se voidaan ilmaista energian, pituuden, ajan tai massan avulla.

Planckin pituus on 10^(-34) m. Se on yhtä pieni suhteessa protoniin kuin mitä protoni on suhteessa Mount Everestiin. Vastaava Planckin aika on 10^(-42) s, joka on niin lyhyt, että sitä on vaikea edes vertauksin havainnollistaa. Planckin massa arkisesti mitätön, kymmenisen mikrogrammaa, tuhannesosa hyttysen painosta. Hiukkasfysiikan mittakaavassa se on kuitenkin valtava, kymmenen miljoonaa miljardia kertaa enemmän kuin Higgsin hiukkasen massa.

Kun kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria laitetaan yhteen, niin gravitaation voimakkuus kasvaa energian kasvaessa. Planckin energialla, tai vähän ennen, nykyinen käsityksemme gravitaatiosta ja kvanttifysiikasta tulee tiensä päähän, ja sitä pitää laajentaa jotenkin.

Useissa laajennuksissa tulee Planckin skaalalla esiin tyystin uudenlaiset fysiikan lait. On erilaisia ideoita siitä, millaisia ne ovat. Säieteoriassa tyypillisesti säikeiden (ja ylimääräisten ulottuvuuksien) koko on Planckin skaalan luokkaa, silmukkakvanttigravitaatiossa taasen Planckin pituuteen mentäessä tulee vastaan aika-avaruuden epäjatkuvuus. Etenkin säieteorian tapauksessa Planckin energia on viimeinen virstanpylväs, jonka luona päästään lopullisiin luonnonlakeihin käsiksi, niin että ei ole enää saavutettavaa: Planckin skaala on kaiken teorian maalinauha.

Mutta koska emme ole onnistuneet saamaan kasaan kokonaista kvanttigravitaatioteoriaa, saati kaiken teoriaa, voi olla toisinkin. Gravitaation täytyy muuttua viimeistään Planckin skaalalla, mutta outoja voi tapahtua jo ennen sitä tai sen jälkeen.

Esimerkiksi 90-luvun lopulla olivat suosittuja sellaiset mallit, joissa kvanttigravitaatioon liittyvä pituus on paljon Planckin pituutta isompi. Rakennelman idea oli, että on olemassa ylimääräisiä ulottuvuuksia tunnetun neljän lisäksi. Gravitaatio muuttuu sitten vahvemmaksi, kun luodataan pituuksia, jotka ovat ylimääräisten ulottuvuuksien kokoa.

Ennen CERNin LHC-kiihdyttimen käynnistymistä viriteltiin malleja, joissa ylimääräisten ulottuvuuksien koko olisi juuri niin iso, että niitä ei oltu vielä nähty, mutta tarpeeksi pieni, että LHC näkisi ne. Tällaiset rakennelmat olivat sen laajalle levinneen käsityksen taustalla, että LHC:ssä syntyisi mustia aukkoja. Jos törmäysten energia riittäisi ylimääräisten ulottuvuuksien raottamiseen, niissä sulautuvien hiukkasten välinen gravitaatio voisi olla niin vahva, että ne romahtavat mustaksi aukoksi. (Normaalisti kiihdyttimissä saavutettava tiheys on aivan liian pieni mustien aukkojen tekemiseen.)

Ei ollut mitään painavaa syytä uskoa, että ylimääräisten ulottuvuuksien koko sattuisi tähän kapeaan haarukkaan, eikä LHC olekaan nähnyt niistä merkin merkkiä. Nämä mallit tarjoavat kuitenkin mielenkiintoisen esimerkin siitä, että Planckin skaalalla ei välttämättä ole mitään perustavanlaatuista merkitystä.

Toisenlaisen mahdollisuuden tarjoaa idea siitä, että gravitaatio olisi asymptoottisesti turvallinen. Tässä tapauksessa sen voimakkuuden kasvu taittuu ennen Planckin energiaa. Tällöin Planckin energia ei ole lopullinen raja, vaan teoria toimii miten korkeilla energioilla tahansa.

Fysiikassa on saatu selkoa yhä pienempien pituuksien ja korkeampien energioiden tapahtumista: atomien kasautumisesta ydinten leikkiin ja siitä Standardimallin symmetrioihin. Emme tiedä onko Standardimallin ja viimeistään Planckin skaalalla komeilevan kaiken teorian välillä hedelmätön erämaa vailla uutta fysiikkaa, vai onko matkalla paljon löydettävää. Jos Planckin mittakaava onkin käymättömistä korpimaista vihoviimeinen, vielä on tarpomista ennen sinne saapumista.

---

Suhteesta, äänestä ja ajasta

21.2.2018 klo 19.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Maanantaina 12.3. kello 18.30 puheenjohtajan keskustelua tieteen ja politiikan suhteesta ja mm. Israelin akateemisesta boikotista ja häirinnästä tiedemaailmassa. Paikkana on Helsingin yliopiston Tiedekulma (Yliopistonkatu 4). Keskustelu on englanniksi.

Keskiviikkona 11.4. kello 18-20 keskustelen Suomen Filosofisen Yhdistyksen tilaisuudessa metafysiikan ja luonnontieteen suhteesta. Paikkana on Tieteiden talon (Kirkkokatu 6) sali 505. Muina osallistujina ovat filosofit Jaakko Kuorikoski ja Tuomas Tahko.

Lauantaina 14.4. kello 13.30-14.00 puhun Loviklubin tilaisuudessa ”Kokeellista musiikkia, runoutta ja kosmologiaa” äänestä ja kauneudesta kosmologiassa. Paikkana on Rikhardinkadun kirjasto (Rikhardinkatu 3). Koko tilaisuus alkaa kello 12.00 ja kestää 15.30 asti. Runoilija Sini Silveri lukee runojaan, ja muusikot soittavat ambientia.

Aalto-yliopiston elokuva- ja lavastustaiteen opiskelijoille voisi vielä mainita, että keskiviikkona 21.3. kello 13.00-16.00 luennoin ajasta fysiikan näkökulmasta. Luento on Otaniemen Odeionissa ja se on osa kurssikokonaisuutta ELO-E3025.

Päivitys (26/02/18): Lisätty osoitteet ja maaliskuun 12. päivän tilaisuus.

Päivitys (08/04/18): Lisätty huhtikuun 14.päivän tilaisuuden Facebook-tapahtuman linkki.

---

Myös me/Us too

10.2.2018 klo 13.33, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

(As the topic, the hiring of Christian Ott at the University of Turku, has attracted international attention, this entry is both in Finnish and English; the English version is below the Finnish text.)

Viime ja tällä viikolla uutisissa on ollut astrofyysikko Christian Ottin palkkaaminen Turun yliopistolle ja työsopimuksen purkaminen. Suomalaisten tiedotusvälineiden lisäksi BuzzFeed on seurannut asiaa. Tapauksesta on keskustelu paljon, ja joistain seikoista on ollut epäselvyyttä. Yritän tässä selventää tilannetta. (Kiitos Turun yliopiston johdolle vastaamisesta kysymyksiin kiireiden keskellä.)

Touko- ja kesäkuussa 2015 Caltechin yliopiston professori Christian Ottin kaksi naispuolista jatko-opiskelijaa teki hänestä virallisen valituksen. Kolmen kuukauden jälkeen asiaa tutkinut komitea totesi, että Ott yksikäsitteisen selvästi syyllistyi ”sukupuoleen perustuvaan häirintään” näitä jatko-opiskelijoita kohtaan. Yliopiston mukaan syynä olivat Ottin ”romanttiset tai seksuaaliset tunteet” toista opiskelijoista kohtaan, ja hänen käytöksensä ”merkittävästi haittasi” tämän opiskelumahdollisuuksia.

Ott laitettiin yhdeksän kuukauden palkattomalle vapaalle, ja häntä kiellettiin tulemasta kampukselle sekä ottamasta yhteyttä opiskelijoihin, joita hän oli häirinnyt. Yliopisto myös päätti, että Ottin ”käytöksessä ja ohjaustavassa täytyy tapahtua selvästi havaittava muutos ennen kuin hän voi olla tekemisissä opiskelijoiden kanssa ilman valvontaa”. Ott valitti päätöksestä, ja valitus hylättiin.

Kolmeen kuukauteen Caltech ei kertonut asiasta julkisesti, mutta BuzzFeedin päästyä vihille yliopisto antoi tammikuussa 2016 virallisen lausunnon tapauksesta, jossa se myös ilmoitti ryhtyvänsä laajoihin toimiin, jotta vastaava ei toistuisi. Tapaus sai paljon huomiota, muun muassa maailman arvostetuimmat laaja-alaiset tiedelehdet Nature ja Science kirjoittivat siitä.

Ott rikkoi saamansa hyllytyksen ehtoja ottamalla yhteyttä toiseen häirinnän kohteista. Yliopisto hyllytti hänet uudelleen vuodeksi. Vuoden 2017 loppupuolella komitea harkitsi, saisiko Ott jatkaa työtään Caltechissä ja antoi asiasta yliopistolle suosituksen. Suositusta ole julkistettu. Saatuaan suosituksen tietoonsa Ott ilmoitti eroavansa Caltechistä joulukuun 31. päivä.

Tammikuussa tuli julki, että Ott on palkattu Turun yliopiston Tuorlan observatorioon vanhemmaksi tutkijaksi kahdeksi vuodeksi maaliskuun alusta alkaen. Tuorlan observatorio oli laittanut marraskuussa avoimeen hakuun kahden vuoden paikan. Ottin tapausta seurannut astrofyysikko Peter Coles arveli, että kyseessä on sama paikka. Ilmoituksessa mainitaan, että työhön kuuluu opetusta ja opiskelijoiden ohjaamista, mikä onkin tavallista. Turun yliopiston johto oli sen sijaan kertonut, että Ottin velvollisuuksiin ei kuulu opetusta eikä ohjausta. Jos kyseessä olisi sama paikka, tämä olisi tarkoittanut, että Ott olisi käytännössä palkittu häirinnästä vähentämällä hänen velvollisuuksiaan. Turun yliopiston johto on kuitenkin varmistanut minulle, että kyseessä on eri työpaikka, eikä Ottin paikka ollut avoimessa haussa. Heidän mukaansa on myös tavallista, että Tuorlan observatoriossa työhön ei kuulu opetusta eikä ohjausta. (Helsingin yliopiston fysiikan osastolla kaikilla on opetusvelvollisuus.)

Vaikka paikat yleensä ovat avoimessa haussa, ei ole tavatonta, että niihin suoraan valitaan joku tietty henkilö, jos siihen katsotaan olevan erityinen syy. (Esimerkiksi minun paikkani Helsingin yliopistossa ei ollut avoimessa haussa.) Mutta Ottin tapauksessa tämä tietysti tarkoittaa sitä, että yliopisto ei ole punninnut toisaalta tutkimusansioita ja toisaalta häirintää, kokonaiskuvaa muihin hakijoihin verraten: Tuorlaan haluttiin nimenomaan Ott.

Asia herätti huolta Suomen tähtitieteilijöiden, astrofyysikoiden ja kosmologien keskuudessa. Joukko heitä (mukaan lukien Till Sawala ja minä), keskusteltuaan yhteisön muiden jäsenten ja Tuorlan observatorion johtajan Juri Poutasen kanssa, muotoili ja julkisti lausunnon, jossa vahvasti tuomitaan häirintä.

Lausunto julkistettiin torstaina 1.2. ja sen allekirjoitti nopeasti yli 80 alan tutkijaa, mukana professoreita kaikista Suomen tähtitieteen laitoksista (Aalto-yliopistosta, Helsingistä, Oulusta ja Turusta). Tämä on suuri osa tähtitieteilijöistä ja astrofyysikoista Suomessa. Suomen Tähtitieteilijäseura ilmaisi jakavansa lausunnon arvot ja vahvasti kehotti jäseniään lukemaan ja, jos ovat samaa mieltä, allekirjoittamaan sen. Tukensa ilmoitti myös yli 180 muiden alojen ja maiden tutkijaa. Heidän joukossaan oli korkeassa asemassa olevia tieteilijöitä, mm. Fysiikan tutkimuslaitoksen johtaja Katri Huitu, Iso-Britannian kuninkaallisen tähtitieteellisen seuran varapuheenjohtaja Hiranya Peiris ja kanadalaisen Dunlap-instituutin johtaja Bryan Gaensler.

Lausunnossa todetaan, että häirintä on vakava rikkomus, joka vaatii aktiivisia toimia. Siinä ei kuitenkaan oteta kantaa mihinkään yksittäiseen tapaukseen, eikä vaadita mitään tiettyjä toimia. Lausunnon lisäksi 19 tähtitieteilijää, astrofyysikkoa ja kosmologia (mukaan lukien minä) lähetti perjantaina 2.2. Turun yliopiston johdolle kirjeen, jossa sitä pyydettiin harkitsemaan uudelleen päätöstä Ottin palkkaamisesta. Johto on voinut saada muitakin yhteydenottoja asian tiimoilta.

Laitoimme lausunnosta tiistaina 6.2. lehdistötiedotteen suomeksi ja englanniksi. Till Sawala totesi siinä, että

”Olen huolestunut siitä viestistä, jonka yhteisömme lähettää. Se, että häirintään syyllistynyt voi vain siirtyä toiseen instituutioon on isku niiden kasvoihin, jotka ovat olleen häirinnän kohteita, ja joiden ura usein kärsii vakavasti sen takia. Kun jopa tutkimuksen yksiselitteiset löydöt sivuutetaan palkkaamisen mahdollistamiseksi, uhrit voivat oikeutetusti kysyä miksi he ottaisivat riskin ja tulisivat julkisuuteen. Tämä olisi katastrofaalinen seuraamus.”

Tiedotteessa emeritusprofessori Esko Valtaoja arvosteli sitä, että hierarkian alemmilla portailla olevia, joilla on suurin riski joutua häirinnän kohteeksi, ei kuultu asiassa: ”Tämän laiminlyöminen ei yksinkertaisesti ole hyväksyttävää nykypäivän akateemisessa maailmassa.”

Aluksi Turun yliopisto kertoi julkisesti, että ”Ottin menneisyys on ollut tiedossa rekrytointia tehtäessä ja asiaa on harkittu tarkasti” ja vakuutti, että sillä on ”nollatoleranssi häirinnän ja kiusaamisen suhteen”. Toisaalta yliopiston johto vetosi siihen, että ”Meillä on asiasta muutakin tietoa mitä julkisuudessa on ollut. Meillä on esimerkiksi hänen entisen esimiehensä kuvaus asiasta, ja ne toimenpiteet mihin siellä ryhdyttiin.”

Tuorlan observatorion johtaja Juri Poutanen kuitenkin kertoi joillekin lausunnon alulle panijoista yksityisesti, että hänen mielestään ei ole mitään todisteita siitä, että Ott olisi syyllistynyt häirintään, joten ei ole mitään mistä huolestua. Hän myös selitti, että Caltechin toteamus ”sukupuoleen perustuvasta häirinnästä” tarkoittaa vain sitä, että jatko-opiskelijat olivat naisia, ei sitä, että häirinnän perusteena olisi ollut sukupuoli. Sen lisäksi, että Poutanen on sen instituutin johtaja, missä Ott olisi työskennellyt, hän olisi ollut myös Ottin esimies.

Ott otti myös yhteyttä joihinkin lausunnon alullepanijoista ja sanoi, että hän voi kertoa asiasta enemmän yksityisesti. Hän kieltäytyi myöntämästä, että olisi syyllistynyt häirintään, sanoen vain, että on tehnyt ”virheitä”.

Vaikka Caltechin komitea oli esittänyt johtopäätöksensä olevan yksiselitteisen selvä, kaikkien tahojen arvioita pitää tietysti voida tarkastella kriittisesti, jos se on aiheellista. Mutta sitä ei voi luotettavasti tehdä kuulemalla pelkästään häiritsijäksi todettua henkilöä ja hänen valitsemiaan tahoja. Jokainen tietysti haluaa esittää asiat itselleen parhain päin, ja ihmiset mielellään puolustavat kavereitaan. Siksi on tärkeää, että häirintäsyytöksiä ja muita kiistanalaisia asioita selvittävät riippumattomat tahot -kuten Caltechin komitea-, jotka kuulevat kaikkia asianosaisia ja tutustuvat kaikkeen dokumentaatioon.

Kuten häirinnän vastaisessa lausunnossa todetaan, häirintään syyllistyminen ei tarkoita sitä, etteikö henkilö voisi enää koskaan olla mukana tiedeyhteisön toiminnassa. Mutta tämän edellytyksenä on se, että hän ymmärtää tehneensä väärin ja ottaa vastuun tekemästään vahingosta.

Poutanen myös kommentoi, että Ottista oli julkisuudessa tehty ”hirviö”, vaikka hän on oikeasti ”mukava mies”. Tässä ollaan asian ytimessä: häirintään syyllistyvät myös tavalliset ihmiset, jotka ovat monissa yhteyksissä mukavia. Häiritsijöiden etäännyttäminen hirviöiksi ei edistä häirinnän torjumista, vaan haittaa sen hahmottamista, miten laajalle levinnyttä ja vakavaa se on.

#MeToo-kampanja on tuonut laajaan keskusteluun sukupuoleen perustuvan häirinnän yleisyyden. Häirinnästä eivät ole vastuussa vain ”ne toiset” tai ”hirviöt”, vaan myös me. Sitä esiintyy kaikenlaisissa yhteisöissä, olivatpa ne akateemisia, ammatillisia tai harrastustoimintaan liittyviä. Hollywoodin elokuvatuottajien kauhistelun sijaan meidän on kunkin tärkeää suunnata katse omaan ympäristöömme ja toimia siinä. (Helsingin yliopistolla on muuten 12.3. asti auki kysely seksuaalisesta häirinnästä.)

Tiedemaailmassa yksi ongelma on se, että vakavaankin häirintään syyllistyneiden nimet pidetään usein salassa. Esimerkiksi kun matemaatikko Lassi Päivärinta vuonna 2014 erotettiin Helsingin yliopistosta, koska hän oli vuosien ajan seksuaalisesti häirinnyt naispuolisia jatko-opiskelijoita, hänen nimeään ei käytetty julkisuudessa. Tämä on saattanut edesauttaa sitä, että hän vain siirtyi Tallinnan teknilliseen korkeakouluun, tai se voi vaikeuttaa häirinnän estämistä jatkossa. (Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta on nyt kiinnittänyt entistä enemmän huomiota häirintään.)

Kun kyse on syytöksistä, nimien pitäminen salassa on perusteltua. Mutta, kuten Peter Coles toteaa, jos henkilö todetaan syylliseksi, on syytä tuoda asia päivänvaloon.

Keskiviikkona 7.2. Turun yliopiston rehtori Kalervo Väänänen ilmoitti, ”kuultua[an] laajasti tiedeyhteisöä”, että Turun yliopisto purkaa Ottin työsopimuksen. Sen sijaan, että Turun yliopisto olisi tyytynyt toimintansa puolustelemiseen, se kuunteli argumentteja ja arvioi asiaa uudelleen. Virheiden toteaminen ja päätösten muuttaminen ei ole isoille instituutioille sen helpompaa kuin yksilöille, ja yliopiston johto ansaitsee kiitokset. Toivottavasti sen toiminta rohkaisee muita ottamaan häirinnän vakavasti.

On vaikuttavaa, miten nopeasti tutkijat ottivat kantaa häirintää vastaan – vaikka onkin huomattava, että lausunnon allekirjoittajat eivät olleet Ottin tapauksesta yksimielisiä. Tapaus näytti, että yhteisö voi vaikuttaa häirintään liittyviin päätöksiin. Myös me voimme muuttaa asioita.

* * *

The decision by the University of Turku to hire astrophysicist Christian Ott, and then cancel his contract, has attracted some attention. In addition to Finnish media, BuzzFeed has covered the case. There has been a lot of discussion about the case, not always with precise information. I will try to clarify things a little. (Thanks to the University of Turku leadership for answering my queries at a busy time.)

In May and June 2015 two female students of Caltech professor Christian Ott filed a complaint about him. After three months, a committee concluded that there was “unambiguous gender-based harassment of both graduate students” by Ott. The university further found that this “was prompted by [Ott’s] romantic or sexual feelings” for one of the students, and that his behavior “significantly and adversely affected” her educational opportunities at Caltech.

Ott was placed on nine months of unpaid leave, and banned from coming to the campus and contacting the students he harassed. The university also decided that “a demonstrable change in behavior and mentoring approach” of Ott “will be required before unmonitored interactions with students can resume”. Ott appealed the decision; the appeal was denied.

For three months Caltech did not address the issue publicly, but after BuzzFeed caught on the university made an official statement in January 2016, where it also announced significant actions to make sure that such a situation would not be repeated. The case received a lot of attention, and was covered by the world’s most respected general science magazines Nature and Science.

Ott violated the conditions of his suspension by contacting one of the students he had harassed. The university suspended him for 12 more months. Towards the end of 2017 a committee considered whether Ott could continue at Caltech, and made a recommendation to the university. The recommendation has not been made public. After being informed of the recommendation, Ott announced that he would resign from Caltech, effective on December 31.

In January it turned out that Ott had been hired at the Tuorla Observatory of the University of Turku as a senior researcher on a two-year contract. The Observatory had announced a two-year position in November. Astrophysicist Peter Coles, who had been following Ott’s case, suggested that this is the same position. According to the announcement, the job includes teaching as well as supervising students, as is common. However, the University of Turku leadership had instead said that Ott’s duties will not include teaching or supervising. Had this  been the same position, it would have meant that Ott would, in effect, have been rewarded for harassment by having his duties lightened. However, the University of Turku leadership has confirmed to me that Ott’s position is a different one, and it was not open for applications. According to them, it is usual that staff at Tuorla Observatory have no teaching or supervision duties. (At the Department of Physics at the University of Helsinki, for example, everyone has teaching duty.)

Although positions are usually open for applications, people are sometimes hired directly, if there is felt to be a special reason for it. (For example, my position at the University of Helsinki was not open for applications.) In Ott’s case, this of course means that the university did not weigh his research credentials on the one hand and harassment on the other, comparing to other applicants: they specifically wanted Ott for Tuorla.

The issue raised concern among astronomers, astrophysicists and cosmologists in Finland. A group of them (including Till Sawala and myself), after discussing with other members of the community and the director of Tuorla Observatory Juri Poutanen, formulated and made public a statement strongly condemning harassment.

The statement was made public on Thursday February 1, and it was quickly signed by over 80 researchers from the field, including professors from all Finnish astronomy departments (at Aalto University, Helsinki, Turku and Oulu). This is a significant fraction of all astronomers and astrophysicists in Finland. The Finnish Astronomical Society announced that it endorses “the concepts and morals of the statement” and “strongly encouraged” members to read, and if they agree, sign the statement. It was also supported by over 180 researchers from other fields and countries. They included internationally prominent scientists, such as director of the Helsinki Institute of Physics, Vice President of the British Royal Astronomical Society Hiranya Peiris, and Canadian Director of the Dunlop Institute Bryan Gaensler.

The statement notes that harassment is a grave offence, which must be addressed head-on. However, it did not refer to any specific case, nor call for any specified action. In addition to the statement, 19 astronomers, astrophysicists and cosmologists (including me) sent on Friday February 2 a letter to the leadership of the University of Turku, calling on them to reconsider the decision to hire Ott. The leadership may also have received other feedback on the issue.

We issued a press release on Tuesday February 6 in Finnish and English. Till Sawala commented:

“I am troubled by the message we are sending as a community. When a harasser can simply move to another institution, it is a slap in the face of individuals who suffer harassment, and whose careers are often severely disrupted as a result. And when even the unequivocal findings of an investigation are discounted in order to enable a hire, victims might rightly ask why they should risk raising the alarm. That would be a catastrophic outcome.”

In the press release, emeritus professor Esko Valtaoja criticised that those on the lowest rungs of the hierarchy, who face the greatest risk of harassment, had not been heard in the process: “Failure to do so is simply not acceptable in today’s academic world.”

Initially the University of Turku said in public that they were aware of Ott’s past during the recruitment process, had considered the issue carefully, and that the university has “zero tolerance for harassment and bullying”. At the same time, the university leadership appealed to being in possession of more information than what was available in public, including for example the description of events by Ott’s former superior, and the actions taken at Caltech.

However, the Tuorla Observatory director Juri Poutanen told some of the initiators of the statement in private that in his view there is no evidence that Ott was guilty of harassment, so there was nothing to worry about. He also explained that the Caltech finding of “gender-based harassment” simply referred to the fact that the students were female, not that the harassment would have been based on gender. In addition to being the head of the institute where Ott would have worked, Poutanen would also have been his superior.

Ott also contacted some of the initiators of the statement, saying that he can give more details on the issue in private. He declined to admit that he would have been guilty of harassment, simply saying that he has made “mistakes”.

Although the committee at Caltech had presented its conclusions as “unambiguous”, all evaluations can of course be subjected to criticism when necessary. But this cannot be reliably done by only listening to a person who has been found to have harassed and those he puts forth. Everyone of course wants to show themselves in the best possible light, and people like to defend their friends. This is why it is important that allegations of harassment and other controversial matters are studied by independent entities -such as the committee at Caltech- who hear everyone involved and look at all documentation.

As the statement against harassment notes, being guilty of harassment doesn’t mean that the harasser can never take part in the scientific community again. But the condition for that has to acknowledging of misconduct and taking responsibility for damage cause.

Poutanen also commented that Ott had been made into a “monster” in public, even though he is actually a “nice man”. This cuts to the heart of the matter: harassment is perpetrated also by ordinary people, who can in other contexts can be quite nice. Othering harassers into monsters does not promote preventing harassment, but rather makes it more difficult to see how widespread and serious it is.

The #MeToo campaign has opened up public discussion about how common gender-based harassment is. Harassment is not perpetrated only by “the others” or “monsters”, but us too. It is a feature of all communities, whether they are academic, professional or hobby-related. Instead of gawking at Hollywood film producers, it is important for each of us to direct our attention to our own environment and take action there. (By the way, an inquiry about sexual harassment at the University of Helsinki is open until March 12.)

In science, one problem is that the names of those guilty of even serious harassment are often not made public. For example, when the mathematician Lassi Päivärinta was fired from the University of Helsinki in 2014 for having sexually harassed multiple graduate students over a period of years, his name was not used in public. This may have helped him to simply move to the Tallinn University of Technology, or it may make it more difficult to prevent harassment by him the future. (The Faculty of Science at the University of Helsinki has now paid increased attention to harassment.)

When only allegations are concerned, there are good grounds for withholding names. But as Peter Coles has noted, when a person is found guilty, things should be brought to light.

On Wednesday February 7, University of Turku Rector Kalervo Väänänen announced, “after extensively hearing the science community”, that the university will cancel Ott’s contract. Instead of settling for simply defending its position, the University of Turku listened to concerns expressed and re-evaluated the matter. Admitting mistakes and reversing course is no easier for large institutions than it is for individuals, and the university leadership deserves congratulations. Hopefully their actions will encourage others to take harassment seriously.

It is significant how rapidly researchers took a stand against harassment – although it should be noted that signatories to the statement were surely not unanimous in their view about Ott’s case. This was an example of how a community can affect decisions related to harassment. Us too can change things.

---

Riippuvuuden oireita

30.1.2018 klo 22.32, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

FinELib allekirjoitti 17. tammikuuta Elsevierin kanssa sopimuksen, jonka mukaan sen jäseninstituutioiden tutkijat saavat pääsyn Elsevierin julkaisuihin sekä 50% alennuksen open access -maksuista. FinELib on suomalaisia korkeakouluja, tutkimuslaitoksia ja kirjastoja edustava konsortio. Elsevier on suuryritys, jonka bisnesmalli perustuu tutkijoiden palkattoman työn hyödyntämiseen, millä se kerää ennätyksellisiä voittoja tieteen kustannuksella.

Sopimuksesta on julkaistu Elsevierin markkinointipuheella kyllästetty lehdistötiedote sekä FinELibin tiiviste ja ohjeet tutkijoille. Helsingin yliopiston kirjasto kertoo sopimuksen taustoista blogissaan. Pääsy Helsingin yliopiston asiaa koskevaan tiedotteeseen ja keskusteluun on, Helsingin yliopiston avoimuudelle tyypillisesti, suljettu yliopiston ulkopuolisilta.

Sopimusta edelsivät pitkät neuvottelut, joiden tueksi yli 2 700 tutkijaa sitoutui olemaan vertaisarvioimatta julkaisuja Elsevierille ellei tämä alenna hintojaan. (Minäkin allekirjoitin sitoumuksen, vaikka en muutenkaan viitsi tehdä työtä Elsevierille, varsinkaan ilmaiseksi.) Saksassa on käynnissä sama prosessi, ja siellä joukko professoreita on eronnut Elsevierin lehtien toimituskunnista.

Saksassa (toisin kuin Suomessa) yksittäisten tutkijoiden lisäksi myös yliopistot ovat ottaneet käyttöön painostuskeinoja. Ne ovat lopettaneet Elsevierin lehtien tilauksia ja harkinneet kustantamon hylkäämistä lopullisesti. Lyhyen tauon jälkeen Elsevier jatkoi yliopistojen pääsyä julkaisuihinsa ainakin tilapäisesti, vaikka sille ei maksettu. Mahdollisesti kustantamo pelkäsi, että tutkijat huomaavat pärjäävänsä ilman sitä. Charité–Berlinin lääketieteellisen korkeakoulun lääketieteen kirjaston johtaja Ursula Flitnerin kommentti kuvaa asetelman nurinkurisuutta:

“Nobody wants Elsevier to starve – they should be paid fairly for their good service. The problem is, we no longer see what their good service is.”

Voi kysyä, eikö tutkijoiden ja yliopistojen vastuulla ole huolehtia omien resurssien tehokkaasta käytöstä tieteen edistämiseen – ei siitä, saavatko suuryritykset tarpeeksi voittoja? Toisaalta sitaatti osoittaa, että yhä enemmän kyseenalaistetaan yritysten kukkaroiden kartuttamista tilanteessa, jossa niiden tuotteita ei pidetä tarpeellisina ja korkeat hinnat haittaavat kirjastojen perustoiminnasta huolehtimista.

Tieteellisen kustantamisen bisnes on omituista. (Olen kirjoittanut asiasta tarkemmin täällä,  täällä, täällä ja täällä. Täältä löytyy puheeni aiheesta.) Ensin tutkijat kirjoittavat artikkelit ja vertaisarvioivat ne, hoitavatpa usein ulkoasunkin, ilman mitään palkkiota kustantajalta. Sitten tutkijat maksavat kustantajalle siitä, että tämä julkaisee artikkelit ja sen jälkeen heidän instituuttinsa maksavat siitä, että tutkijat saavat lukea niitä. (Joskus maksetaan vain julkaisemisesta tai vain lukemisesta.) Kirsikka kakun päällä on se, että fysiikassa, matematiikassa ja yhä useammilla muilla aloilla julkaisut ovat ilmaiseksi luettavissa nettiarkistoista, kuten arXivista, ennen kuin kustantajat tulevat mukaan kuvioihin. Usein kustantajat itse asiassa rajoittavat artikkelin vapaata saatavuutta.

Tutkijat osallistuvat leikkiin siksi, että lehdet järjestävät vertaisarvioinnin, jonka antamaa laatuleimaa käytetään tutkijoita ja heidän instituuttejaan arvioitaessa. Kaupallisten kustantajien lisäksi on olemassa tieteellisten yhteisöjen lehtiä sekä nykyaikaisia ns. overlay-julkaisuja, jotka keskittyvät vain vertaisarviointiin. Mutta joillakin aloilla kaupallisilla kustantajilla on vieläkin keskeinen rooli.

FinELibin ja Elsevierin sopimus, joka leikkaa lehtien kustannuksesta 50%, voi lyhyellä aikavälillä parantaa tilannetta, mutta samalla se ylläpitää järjestelmää, jossa yliopistot ja kirjastot maksavat vertaisarvioinnista yli 10 000% (siis yli sata kertaa) ylimääräistä. Aina kun tutkija julkaisee Elsevierin lehdessä, merkittäviä summia siirtyy pois tieteestä kustantajalle. Julkaisumaksut ovat tyypillisesti 1 000-3 000 dollaria per artikkeli – Elsevierin hinnasto on täällä.

Riippuvuuden ruokkimisen sijaan korkeakoulut ja kirjastot voisivat olla edelläkävijöitä tieteellisen tiedonvälityksen kehittämisessä ja resurssien kestävässä käytössä aloittamalla yhteistyön eri alojen johtavien tutkijoiden kanssa nykyaikaisten, kustannustehokkaiden vertaisarvioinnin käytäntöjen järjestämiseksi. Tutkijoilla juuri ei ole motiivia ryhtyä korjaamaan ongelmaa, jonka vaikuttaa heidän työhönsä vain epäsuorasti, eivätkä maksujen alla kärsivät kirjastot voi päättää siitä, missä tutkijat julkaisevat eivätkä perustaa uusia julkaisuja ilman tutkijoita. Vaihtoehto kirjastojen ja tutkijoiden yhteistyölle on toivoa, että tilanne korjaantuu itsestään ja odottaessa heittää tiedebudjeteista miljardeja euroja hukkaan joka vuosi.

Pastaa syvemmälle

18.1.2018 klo 23.43, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mustien aukkojen lisäksi LIGOn, Virgon ja tulevien gravitaatioaaltodetektorien odotetuimpia kohteita ovat neutronitähdet. Lokakuussa ilmoitettiin ensimmäisestä törmäyksestä, jossa ainakin toinen osapuoli on neutronitähti. Tapahtuma oli havaittu viime elokuussa, ja vastaavia odotetaan lisää LIGOn ja Virgon aloittaessa taas tänä syksynä päivityksen jälkeen.

Selittelen tässä hieman siitä, mitä neutronitähdet ovat, miksi ne ovat kiinnostavia ja mitä niiden törmäyksistä voidaan oppia. Aleksi Kurkela Stavangerin yliopistosta piti tänään Helsingin yliopistossa fysiikan laitoksella seminaarin aiheesta, mihin tämä merkintä osittain perustuu; Helsingissä alan asiantuntija on Aleksi Vuorinen.

Neutronitähdet ovat mustien aukkojen jälkeen äärimmäisimpiä tunnettuja kappaleita maailmankaikkeudessa (jos mustia aukkoja sopii kutsua kappaleiksi). Neutronitähti syntyy, kun yli kahdeksan Auringon massan painoinen tähti romahtaa ydinpolttoaineen loputtua. Romahdus sytyttää ydinräjähdyksen, joka heittää suurimman osan tähden aineesta avaruuteen. Gravitaatio pusertaa jäljelle jääneen osan tiheäksi paketiksi, neutronitähdeksi. Neutronitähden massa on yhdestä kahteen Auringon massaa tai vähän yli – kevyempi ei pysyisi kasassa, raskaampi romahtaisi mustaksi aukoksi – mutta säde vain kymmenen kilometrin luokkaa.

Neutronitähden tiheys on niin iso, että sitä on vaikea sovittaa arkiseen mittakaavaan. Punasolun verran neutronitähteä painaa yhtä paljon kuin ihminen, hiuksen kokoinen pala painaa enemmän kuin Haltitunturi, mehutölkin tilavuudessa on massaa kuin Mount Everestissä. Näissä vertauksissa joko tilavuus tai massa on inhimillisten mittojen tuolla puolen, mutta toisaalta neutronitähdet juuri suurentavat pienen mittakaavan ilmiöitä inhimillisesti hahmotettaviin mittoihin.

Kurkela kutsuikin neutronitähtiä leikillisesti femtoskoopeiksi: niitä tarkkailemalle ei saada tietoa mikrometrin mittakaavan tapahtumista kuten mikroskoopeilla, vaan pannaan miljardi kertaa pienemmäksi ja luodataan femtometriin eli 10^(-15) metriin. Tämä tarkoittaa sitä, että neutronitähdissä näkyy arkisissa mitoissa ilmiöitä, jotka ovat yleensä merkittäviä vain atomiydinten mittakaavassa.

Karkea kuva neutronitähdestä onkin, että se on kuin valtava atomiydin, jossa on enimmäkseen neutroneita. Gravitaation puristaessa syntyräjähdyksen jälkeen ainetta lähemmäs keskustaa tiheys kasvaa niin isoksi, että atomiytimet kohtaavat. Ytimet koostuvat neutroneista ja protoneista. Kun niiden tiheys kasvaa, protonit yhtyvät ytimiä kiertäviin elektroneihin ja muuttuvat neutroneiksi. Vapautuva energia pakenee tähdestä neutriinoina.

Tuon kuvauksen tarkkuus on suunnilleen sama kuin jos sanoisi Maan olevan kivipallo.

Neutronitähtien yksityiskohtainen rakenne on monimutkainen, eikä sitä vielä täysin tunneta. Uloimpana on, kuten Maalla, ilmakehä. Suomeksi ilmakehä (engl. atmosphere) saattaa tosin olla tässä hieman harhaanjohtava termi, koska kyseessä on vapaista ytimistä ja elektroneista koostuva plasma, jonka lämpötila on kymmenisen miljoonaa astetta. Ilmakehän syvyys on kymmenen metriä. Sen jälkeen on sadan metrin paksuinen ulkokuori, joka koostuu neutronipitoisista ytimistä.

Ulkokuoren alle sukellettaessa vastaan tulee sisäkuori, jossa neutronit alkavat vuotaa ytimistä ulos. Siellä saattaa kohdata erilaisia ytimistä koostuvia rakenteita: pallomaisia (lihapullat), kiinteitä sylintereitä (spagetti), levymäisiä (lasagne), kolmiulotteisia onkaloita (ravioli, reikäjuusto) ja onttoja sylintereitä (ziti). Nämä uivat neutroneista koostuvassa nesteessä (kastike): kuutiometri sitä painaa enemmän kuin Itämeri. Edellä on suluissa rakenteiden muotoa kuvaava tekninen termi; kokonaisuus tunnetaan nimellä ydinpasta.

Sisäkuoren jälkeen tulee ulompi keskusta, missä aine muuttuu täysin nestemäiseksi, ja mahdollisesti suprajuoksevaksi ja suprajohteeksi. Ei oikein tiedetä mitä sisemmässä keskustassa tapahtuu. On mahdollista, että aine valahtaa siellä todelliseen perustilaansa, joka saattaa koostua up– ja down–kvarkkien, neutronien rakennuspalikoiden, lisäksi myös strange-kvarkeista. Tässä tapauksessa keskustaa ei pidä kasassa gravitaatio, vaan kvarkkien väliset vuorovaikutukset riittävät sitomaan sen yhdeksi kokonaisuudeksi. Voi myös olla, että keskustassa kvarkit eivät muodosta mitään rakenteita, vaan elävät vapaina. Kvarkit olivat vapaita varhaisessa maailmankaikkeudessa, ennen mikrosekunnin ikää, ja samankaltaiseen tilaan päästään hetkellisesti CERNin LHC:n ja muiden kiihdytinten törmäyksissä.

Ydinfysiikkaa on tutkittu paljon viime vuosisadan alkupuolelta lähtien. Voi siis tuntua kummalliselta, että ei osata sanoa, mitä neutronitähdissä tarkalleen tapahtuu. Tähän on kaksi syytä.

Ensinnäkin, ydinfysiikka on hankalaa, koska neutronit ja protonit eivät ole alkeishiukkasia, ja sisärakenteensa takia ne voivat vuorovaikuttaa monilla eri tavoilla. Osansa on myös sillä, että on monia muitakin kvarkeista koostuvia hiukkasia, jotka pitää ottaa huomioon ydinainetta tarkasteltaessa.

Toisekseen, Maassa vallitsevissa olosuhteissa ytimissä on suunnilleen yhtä paljon protoneita ja neutroneita, kun taas neutronitähdissä protoneita on vain muutama prosentti; loput ovat muuttuneet neutroneiksi. Niinpä Maan päältä ei ole havaintoja neutronitähtien kaltaisesta aineesta: kiihdyttimissä päästään samoihin tiheyksiin, mutta niissä ytimet ovat paljon kuumempia ja siksi niiden ymmärtäminen on helpompaa.

Juuri tämän takia neutronitähdet ovatkin kiinnostavia: kilometrien mittakaavan tapahtumat paljastavat ydinfysiikan tuntemattomia yksityiskohtia. Mitä voimakkaammin keskustan hiukkaset ovat sitoutuneet toisiinsa vuorovaikuttavat, sitä jäykempi neutronitähti on. Vapaista kvarkeista ja gluoneista koostuva plasma on esimerkiksi pehmeämpää kuin tiukasti pakatuista ytimistä koostuva aine. Mitä jäykempää aine on, sitä isompi neutronitähti voi olla: pehmeä aine lysähtää.

Siispä tarkoista mittauksista neutronitähtien koosta ja massoista voi lukea sen, miten ytimet käyttäytyvät hyvin tiheissä olosuhteissa. Kansainvälisellä avaruusasemalla oleva NICER-koe pyrkii mittaamaan joidenkin neutronitähtien koon (massa tunnetaan jo hyvin) kahden prosentin tarkkuudella niiden lähettämien röntgensäteiden avulla. Tämä kirkastaisi käsitystämme kvarkeista ja gluoneista koostuvan aineen käyttäytymisestä huomattavasti. Tuloksia odotetaan tämän kevään aikana.

Toinen tapa saada tietoa neutronitähtien koostumuksesta on niiden törmäyksistä tulevat gravitaatioaallot ja sähkömagneettiset aallot. Mitä kovempaa aine on, sitä kookkaampi neutronitähti on. Isompi tähti venyy helpommin kiertäessään seuralaista ennen törmäystä, mikä muuttaa parin lähettämiä gravitaatioaaltoja. Lokakuussa ilmoitetussa parissa ei tällaista venymistä näkynyt, mikä rajoittaa sitä, kuinka kova keskusta voi olla. Jos kahden neutronitähden törmäyksen tuloksena on neutronitähti, niin törmäyksen jälkeiset gravitaatioaallot myös kertovat siitä, millaista aine on. Mitä kovempaa aine on, sitä tiukemmin se värähtelee, ja sitä isompi on aaltojen taajuus. Viime elokuun parin kohdalla törmäyksen jälkeinen gravitaatioaaltosignaali oli liian heikko havaittavaksi (ja niistä luultavasti syntyi musta aukko), joten tämän ilmiön löytäminen on vielä edessä.

Muita kiehtovia asioita ovat vinhasti pyörivien neutronitähtien pinnalle olevien millimetrin korkuisten vuorten lähettämät gravitaatioaallot, samaisten pyörivien tähtien lähettämien radiosignaalien käyttäminen kelloina, pimeän aineen mahdollinen vaikutus keskustassa, äärimmäiset magneettikentät ja yleisen suhteellisuusteorian testaaminen neutronitähtien avulla. Näiden aiheiden käsittely ei tähän mahdu, mutta palannen joihinkin niistä myöhemmin, viimeistään uusien havaintojen myötä.

Päivitys (20/01/18): Tein tekstiin kaksi korjausta, jotka on merkitty yliviivauksella.

Ensinnäkin, jos neutronitähden keskusta koostuu up-, down- ja strange-kvarkeista, niin se tuskin pysyy kasassa ilman gravitaatiota. (Toisin kuin sellainen –epätodennäköinen– tilanne, jossa neutronitähdet koostuvat kokonaan strange-kvarkkeja sisältävästä aineesta.)

Toisekseen, sekä puoleensavetävien että hylkivien vuorovaikutusten voimakkuuden kasvu keskustassa voi johtaa jäykempään aineeseen, ja pääasiassa on kyse hylkimisestä.

Kiitos Aleksi Vuoriselle korjauksista.

---

Puhetta ajasta

8.1.2018 klo 18.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Juttelen ensi viikon maanantaina 15.1. kello 18.00 Teatterikorkeakoulun alumniklubilla ohjaaja Leea Klemolan ja Helsingin piispa Teemu Laajasalon kanssa otsikolla Elämä ja henki – kauanko nyt on aikaa? Taide, tiede ja uskonto liikkeessä kohti uutta ajattelua. Keskustelua puheenjohtaa alumniyhdistyksen hallituksen jäsen Kirsikka Moring.

Puhun tiistaina 13.2. kello 18.30 Kirkkonummen komeetan tilaisuudessa ajasta ja aikamatkustuksesta fysiikan näkökulmasta otsikolla Teatterin kellosta mustien aukkojen syövereihin: mitä tiedämme ajasta ja aikamatkailusta?.

Tilaisuuksiin on vapaa pääsy.

Päivitys (12/02/18): Korjattu Kirkkonummen tilaisuuden kellonaika ja linkki.

---

Aika-avaruuden atomit

29.12.2017 klo 17.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

1800-luvun lopulla havaintojen tarkkuus ylitti klassisen fysiikan pätevyysalueen rajat. Perustavanlaatuisten lakien etsintä haarautui kvanttifysiikkaan ja suhteellisuusteoriaan. Edellinen on johtanut kvanttikenttäteoriaan, joka kuvaa ainetta, jälkimmäinen yleiseen suhteellisuusteoriaan, joka kuvaa aika-avaruutta ja gravitaatiota. Niiden reittien pitäisi risteytyä, mutta toistaiseksi yhtymäkohtaa ei ole löydetty.

Kvanttikenttäteoria osataan kyllä (joten kuten) upottaa yleiseen suhteellisuusteoriaan, eli tiedetään miten käsitellä kvanttikenttiä kaarevassa aika-avaruudessa. Mutta vielä ei hahmoteta, miten aika-avaruutta itseään pitäisi kuvata kvanttifysikaalisesti, vuosikymmenten kiivaista yrityksistä huolimatta. (Kosminen inflaatio on poikkeus: se on fysiikan ainoa alue, missä aika-avaruutta on kuvattu kvanttikenttäteorian keinoin ja tehty ennusteita joita havainnot vastaavat. Mutta inflaatio rajoittuu hyvin yksinkertaiseen tapaukseen.) Toisin sanoen ei ole löydetty kvanttigravitaatioteoriaa, josta yleinen suhteellisuusteoria on approksimaatio, kuten Newtonin mekaniikka on approksimaatio kvanttimekaniikasta.

Muiden vuorovaikutusten tapauksessa kvanttiteorian löytäminen on helpompaa, koska niissä aika-avaruus on kiinnitetty, ajan kulku ja avaruuden muoto voidaan ottaa annettuna. Kvanttigravitaatiossa ei tulla valmiiseen pöytään, kaikki pitää tehdä alusta alkaen.

Yksinkertaisin tapa lähestyä tätä ongelmaa on tarkastella tilannetta, jossa gravitaatio on heikko eli aika-avaruuden kaarevuus on pieni. Näin on esimerkiksi silloin, kun tarkastellaan sitä, miten kappaleet näyttävät vetävän toisiaan puoleensa. (Esimerkkejä vastakkaisesta tapauksesta ovat mustat aukot ja maailmankaikkeuden laajeneminen.) Tällöin gravitaatiota voidaan käsitellä kuin kyseessä olisi kenttä annetussa aika-avaruudessa, ja siihen voidaan soveltaa samoja reseptejä kuin muihinkin kenttiin.

Ongelmaksi muodostuu kvanttikenttäteorian totalitaristinen periaate, jonka mukaan teoria sisältää kaikki mahdolliset tavat, millä kentät voivat vuorovaikuttaa. Yleensä näitä ei ole monta: esimerkiksi sähkömagnetismin kvanttikenttäversiossa, kvanttielektrodynamiikassa, fotonikenttä ja elektronikenttä voivat kytkeytyä toisiinsa vain yhdellä tavalla. Kun ei tarkastella kvanttifysiikkaa, yleisen suhteellisuusteorian rakenne on tarkkaan määrätty ja yksinkertainen. Kvanttiteoriaan siirryttäessä tämä kaunis yksinkertaisuus menee pilalle, ja teoriaan tunkee äärettömän monta erilaista tapaa, jolla gravitaatiokenttä vuorovaikuttaa itsensä ja muiden kenttien kanssa.

Mikä pahinta, tämä kvanttigravitaatioteoria ei kerro kuinka voimakas kukin näistä vuorovaikutuksista on, vaan se pitää määrittää kokeellisesti. Koska erilaisia vuorovaikutuksia on äärettömän monta, pitäisi tehdä äärettömän monta mittausta, jotta kaikkien voimakkuuden saisi selville, joten teoriasta ei voi ennustaa mitään, ja vaikuttaa siltä kuin sitä ei voisi käyttää mihinkään. On erilaisia ehdotuksia, miten päästä ulos tästä umpikujasta.

Kvanttiteorian vaatimien uusien vuorovaikutusten voimakkuus kasvaa aika-avaruuden kaarevuuden kasvaessa ja nykyään kaarevuus on pieni (muualla kuin mustien aukkojen lähistöllä), eikä niistä näy jälkeäkään. Niinpä jos teoria pitää paikkansa, uudet vuorovaikutukset ovat merkittäviä vain silloin kun kaarevuus on iso, esimerkiksi varhaisessa maailmankaikkeudessa (kenties inflaation aikana) tai mustien aukkojen lähettyvillä. Tällöin uudet vuorovaikutukset voidaan unohtaa kaarevuuden ollessa pieni ja keskittyä tunnetun gravitaatiovuorovaikutuksen kvanttikäyttäytymiseen.

Tällä tavalla voidaan laskea esimerkiksi kvanttigravitaatiokorjaus Newtonin painovoimalakiin. Muutos omenan putoamiseen Maan päällä on suuruudeltaan 10^(-83), mitättömän pieni jopa hiukkasfysiikan standardeilla. Vertailun vuoksi maailmankaikkeuden toisella laidalla 50 miljardin valovuoden päässä asustelevan muurahaisen (jos siellä olisi muurahaisia) vaikutus Maassa putoavaan omenaan on sata kertaa isompi.

Lähestymistavan puute on se, että se ei anna mitään osviittaa siitä, mitä tapahtuu, kun gravitaatiokentät ovat vahvoja (jolloin koko rakennelman toimivuus on muutenkin kyseenalainen).

Hieman kunnianhimoisempi ehdotus on se, että vaikka uusia vuorovaikutuksia on äärettömän paljon, niiden voimakkuudet liittyvät toisiinsa siten, että vain muutama niistä on riippumaton, loput määräytyvät niistä. Ajatuksena on, että gravitaation voimakkuuden kasvaessa teoriasta paljastuu tiukempi rakenne, jota ei näe heikkoihin kenttiin pidättäydyttäessä. Tätä asymptoottisena turvallisuutena (engl. asymptotic safety) tunnettua ideaa on tutkittu toistaiseksi vain pienellä joukolla uusia vuorovaikutuksia, eikä sen yleistäminen äärettömän monen vuorovaikutuksen tapaukseen ole suoraviivaista. Se näyttää kuitenkin toimivan yllättävän hyvin: kolmen vuorovaikutuksen voimakkuus riittää määräämään kymmeniä muita, aivan kuten odottaisi, jos idea pitää paikkansa.

Useimmat alan tutkijat kuitenkin arvelevat kvanttigravitaation ongelmien ratkaisemisen vaativan perustavanlaatuisempia muutoksia. Ei ole selvää, että kvanttigravitaatiota pitäisi edes alkaa etsiä aika-avaruudesta lähtien.

Esimerkiksi vettä kuvataan klassisessa fysiikassa jatkuvana nesteenä, jonka ominaisuuksia ovat tiheys ja paine. Mutta jos yrittäisi kehittää veden kvanttiteoriaa tutkimalla tiheyden ja paineen kvanttikäyttäytymistä, niin menisi metsään. Sen sijaan pitää hahmottaa, että vesi ei ole jatkuvaa, vaan koostuu atomeista, ja ymmärtää niiden kvanttikäyttäytyminen. Jatkuva aika-avaruuskin saattaa olla vain approksimaatio, ei perustavanlaatuista, ja ensin pitää löytää oikea tapa kuvata sen alla olevaa rakennetta, selvittää mitkä ovat aika-avaruuden atomit.

Suosituin ehdokas tähän on säieteoria. Siinä aika-avaruutemme ei ole perustavanlaatuinen. Joskus säieteoriaa kuvaillaan sanomalla, että se on teoria säikeistä, joiden värähtelyt vastaavat alkeishiukkasia ja vuorovaikutuksia (myös gravitaatiota). Hieman oikeammin voi sanoa, että se on teoria kahdessa ulottuvuudessa elävistä kentistä, jotka näyttävät toisen aika-avaruuden ulottuvuuksilta – idea, joka vaatisi pidemmän selityksen auetakseen.

Säieteoria on hienostunut rakennelma, joka –kuten vaatimattomampi asymptoottinen turvallisuus– toimii yllättävän hyvin. Säieteoria lähtee liikkeelle seuduilta, joilla ei ole oikeastaan mitään tekemistä tuntemamme yleisen suhteellisuusteorian kanssa, mutta päätyy suoraa reittiä näkemämme aika-avaruuden kaltaiseen rakenteeseen, antaapa vielä samaan hintaan suunnilleen oikeanlaisen hiukkasfysiikankin. Ongelmana ovat nuo sanat ”jokseenkin” ja ”suunnilleen”: ulottuvuuksia on kymmenen eikä neljä, aika-avaruuden kuvailuun liittyy yksi ylimääräinen kenttä, maailmankaikkeuden hiukkassisältö on pielessä ja niin edelleen. 80-luvulla monet odottivat, että säieteoriasta saataisiin muutamassa vuodessa johdettua kaikki tunnettu fysiikka ja kaiken teoria olisi valmis. Ongelmat osoittautuivat kuitenkin hyvin hankaliksi, eikä kukaan löytänyt kompassia, joka olisi osoittanut, mihin suuntaan pitää mennä. Jotkut ovat epätoivoissaan jopa julistaneet, että oikeaa ratkaisua ei ole olemassakaan.

Säieteorian tunnetuin kilpailija on silmukkakvanttigravitaatio (engl. loop quantum gravity). Se lähtee liikkeelle kotoisemmista maisemista. Yleisen suhteellisuusteorian aika-avaruutta voi kuvata eri tavoilla. Yksi niistä on Abtay Ashtekarin vuonna 1986 löytämät ja sittemmin hänen mukaansa nimetyt Ashtekarin muuttujat. Karkeasti sanottuna Einsteinin alkuperäisessä yleisen suhteellisuusteorian muotoilussa tutkitaan aika-avaruuden etäisyyksiä ja niiden muutosta ajassa, Ashtekarin muotoilussa keskitytään suuntiin ja kiertymiseen.

Yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa kyse on vain näkökulmaerosta, lopputulos on sama katsoopa asiaa kummalta kannalta tahansa. Silmukkakvanttigravitaation oivallus on se, että Ashtekarin muuttujia ei käytetäkään kuvaamaan yleisen suhteellisuusteorian jatkuvaa aika-avaruutta, vaan sen sijaan erillisiä pisteitä ja yhteyksiä niiden välillä.

Ajatuksena on, että aika-avaruus ei ole pohjimmiltaan jatkuva. Se näyttää meille jatkuvalta samasta syystä kuin vesi: osasten välinen etäisyys on paljon arkisia etäisyyksiä pienempi. Silmukkakvanttigravitaation tapauksessa tilanne on paljon monimutkaisempi kuin veden, koska aika-avaruuden ainesosien välissä ei ole mitään, missä mitata etäisyyksiä. Oikeammin voi sanoa, että ilmaisu ”aika-avaruuden ainesosien välissä” on merkityksetön, koska aika ja tila ovat olemassa vain aineosissa. Tämän takia on paljon vaikeampi osoittaa, että joukosta pisteitä saadaan approksimaationa kokonaisuus, joka näyttää jatkuvalta.

Siinä missä säieteoria kattaa luontevasti gravitaation lisäksi myös muita vuorovaikutuksia sekä hiukkaset, silmukkakvanttigravitaatio on rajoittunut aika-avaruuden ymmärtämiseen. Vaikka sitä voikin laajentaa hiukkasiin, ne eivät ole välttämätön osa pakettia, toisin kuin säieteoriassa. Silmukkakvanttigravitaatio ei siis lähtökohtaisesti ole kaiken teoria, eikä vielä ole varmuutta edes siitä, onko se oikea kvanttigravitaatioteoria.

Kenties suurin ongelma kvanttigravitaatioehdokkaiden kehittelyssä on se, että niihin liittyvät uudet ilmiöt ovat tyypillisesti kaukana nykyisten havaintojen ulottumattomissa. Kuten mainittua, inflaatio on poikkeus, mutta se on sen verta yksinkertainen tapaus, että se ei anna paljoa vihjeitä siitä, miten jatkaa eteenpäin. Inflaation synnyttämissä galaksien siemenissä ei näy yksityiskohtia taustalla oleva kvanttifysiikan yksityiskohdat ovat hautautuneet syvälle, mutta niitä voi kenties saada kaivettua näkyviin.

Muitakin mahdollisia kvanttigravitaation jälkiä on tutkittu, kuten Maapallolle miljoonien tai miljardien valovuosien päästä saapuvien korkeaenergisten hiukkasten matka-aikoja. Vaikka kvanttigravitaation vaikutus niihin on pieni, se saattaa kertyä matka-ajan myötä, ja miljardi vuotta on jo varsin pitkä aika koeaika. Toinen otollinen mahdollisuus on se, että mustien aukkojen horisontin läheisyydessä näkyisi kvanttigravitaation merkkejä. Pitkään tämä oli vain teoreettista pohdiskelua, mutta nykyään gravitaatioaallot tuovat viestejä mustien aukkojen horisonttien läheisyydestä harva se viikko. Monia muitakin ideoita on tutkittu, mutta mitään ei ole näkynyt; aiheesta kiinnostuneille voi suositella alan asiantuntijan Sabine Hossenfelderin blogia Backreaction.

Kvanttimekaniikkaa ei löydetty ennen kuin päästiin viime vuosisadan alun havainnoissa atomien mittakaavaan, missä kvantti-ilmiöt ovat tärkeitä. Kvanttifysiikan periaatteet ovat arkijärjelle niin vieraita, että kukaan tuskin olisikaan ehdottanut niiden kuvaavan todellisuutta, elleivät kokeet olisi siihen johdattaneet. Voi olla, että kvanttigravitaation periaatteiden löytäminen vaatii sekin mullistavia havaintoja, jotka pakottavat ajatukset uusille urille.

---

Kolmen sukupolven kuuntelijoita

14.12.2017 klo 22.03, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

LIGOn gravitaatioaaltolöydöistä annettiin viime sunnuntaina Nobelin palkinto Rainer Weissille, Barry C. Barishille ja Kip S. Thornelle. LIGO teki ihmiskunnan ensimmäisen suoran havainnon gravitaatioaalloista 14. syyskuuta 2015 ja julkisti sen helmikuussa 2016. Kahdessa vuodessa mustien aukkojen gravitaatioaalloista on tullut niin arkipäiväisiä, että en viitsinyt kirjoittaa viimeisimmästä havainnosta, joka julkistettiin viime kuussa.

Gravitaatioaaltodetektorit LIGO ja Virgo ovat päivitystauolla ja jatkavat entistä ehompina syksyllä 2018. Pian seuraan liittyy kaksi uutta tulokasta.

Intiaan on kaavailtu gravitaatioaaltodetektoria vuodesta 2009 lähtien. LIGOn menestys antoi suunnitelmille pontta: Intian hallitus hyväksyi INDIGO-projektin vain kuusi päivää sen jälkeen, kun LIGO ilmoitti ensimmäisestä havainnosta. INDIGOn on määrä aloittaa vuonna 2024. Siitä tulee tismalleen samanlainen kuin Yhdysvaltojen kahdesta LIGO-detektorista, ohjelmistoa myöten. Koska INDIGO on eri puolella Maapalloa ja osoittaa eri suuntaan, se helpottaa sekä gravitaatioaaltojen lähteen paikallistamista taivaalla että niiden polarisaation määrittämistä.

Japanilainen KAGRA on sikäli mielenkiintoisempi, että se on erilainen kuin muut havaintolaitteet. Idea on sama kuin muillakin: KAGRAssa on kaksi kolmen kilometrin pituista tunnelia, joissa kulkee valosignaali päästä toiseen ja heijastuu peilistä takaisin. Putkien signaalien eroa mittaamalla saadaan selville mahdollinen putkien pituuden muutos ja sitä kautta havaitaan, jos niiden läpi kulkee gravitaatioaalto. Rakentaminen alkoi vuonna 2012, KAGRA otti dataa ensimmäistä kertaa viime vuonna, ja nyt joulukuun alussa sen toiminnasta julkistettiin ensimmäinen artikkeli. Gravitaatioaaltoja ei vielä havaittu ja tarkoitus oli lähinnä testata järjestelmiä.

KAGRAssa on kaksi merkittävää eroa muihin detektoreihin nähden. Ensimmäinen on se, että sen tunnelien päässä olevat peilit jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä häiriöiden vähentämiseksi. Jäähdytystä ei kuitenkaan vielä vuoden 2016 testissä käytetty.

Toinen ero on se, että koko valtava laite on rakennettu maan sisään, Kamiokan kaivokseen, kilometrin syvyyteen Ikenoyama-vuoren huipusta. Tämä on myös Super-Kamiokanden koti. Vuosituhannen vaihteessa Super-Kamiokande-koe havaitsi neutriinojen muuttumisen toisikseen, mistä annettiin Nobelin palkinto vuonna 2015.

Gravitaatioaaltodetektorien täytyy olla äärimmäisen herkkiä havaitakseen pituuden muutoksia, jotka ovat suuruusluokkaa 10^(-21): tunnelien pituus muuttuu protonin tuhannesosan verran gravitaatioaallon kulkiessa niiden läpi. Vuoren sisällä on tukeva istua, maa tärisee paljon vähemmän kuin maanpinnalla. Maan lisäksi ilma häiritsee detektoreita: kun ilma liikkuu, sen gravitaatiokenttä muuttuu, minkä detektorit havaitsevat. Tämä häiriö on KAGRAn kohdalla pienempi, koska se on muita detektoreita kauempana ilmasta. Vuoren sisällä lämpötila on myös tasaisempi ympäri vuorokauden ja vuoden, mikä helpottaa instrumenttien pitämistä oikeassa lämpötilassa. Toisaalta KAGRAa häiritsevät maanalaiset vesivirrat, etenkin lumen sulaessa keväällä.

Detektorin sijoittaminen vuoren sisään myös vaikeuttaa sen parissa työskentelemistä, ja tunneleissa saa työturvallisuuden takia olla vain päiväsaikaan. Talvella vuorelle ajaminen voi olla hankalaa lumen ja jään takia, syksyllä taas sepelkarhut saattavat hyökätä ulkona viipyilevien tutkijoiden kimppuun. Muilla detektoreilla on toki omat ongelmansa: kuuleman mukaan toisen LIGO-laitteen putkea ovat paikalliset asukkaat ampuneet tuliaseilla.

KAGRAn on määrä tehdä ensimmäiset havainnot jäähdytetyllä instrumentilla vuonna 2019 tai 2020 ja saavuttaa vuonna 2022 sama herkkyys kuin LIGOn ja Virgon päivitetyt versiot ja INDIGO. Näitä kutsutaan toisen sukupolven gravitaatioaaltokokeiksi. Ensimmäisen sukupolven kokeita olivat alkuperäinen LIGO ja Virgo sekä vuodesta 2002 alkaen toiminut saksalainen GEO600, joiden herkkyys ei riittänyt havaintoon.

Kolmannen sukupolven kokeista pisimmällä on LISA. Se on nykyisiä detektoreita huomattavasti kunnianhimoisempi: LISAssa on määrä olla kolme satelliittia, jotka kiertävät Aurinkoa Maapallon kanssa. Satelliittien etäisyys toisistaan on 2.5 miljoonaa kilometriä. Miljoonakertainen koko tekee LISAsta paljon Maassa olevia detektoreita herkemmän. Samasta syystä se myös kuulee pidempiä aallonpituuksia eli pienempiä taajuuksia.

Nykyiset laitteet havaitsevat romahtaneista tähdistä syntyneiden mustien aukkojen törmäyksiä, LISA kuulee, miten galaksien keskellä olevat valtavat mustat aukot sulautuivat yhteen yli kymmenen miljardia vuotta sitten. LISA myös kuulee nykyisten detektorien kohteita vuosia ennen kuin ne pystyvät siihen. Musta aukko –parin lähettämän gravitaatioaallon taajuus on samaa suuruusluokkaa kuin se taajuus, millä ne kiertävät toisiaan. Mitä kauempana aukot kiertävät, sitä hitaammin ne liikkuvat, aivan kuten Aurinkokunnan planeetat. Kun aukot säteilevät gravitaatioaaltoja, ne lähestyvät toisiaan ja kiihdyttävät vauhtia. LISA pystyy näkemään suunnilleen Auringon massaisten mustien aukkojen lähettämät gravitaatioaallot vuosia ennen niiden törmäämistä, siinä missä nykyiset laitteet havaitsevat ne vain sekunteja ennen. LISA voi siis ennustaa, missä ja koska pienet mustat aukot törmäävät.

LISAn tähtäimessä on myös tyystin erilainen kohde, nimittäin maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin miljardisosan sadasosan aikana tapahtunut Higgsin kentän olomuodon muutos. Siinä syntyneiden gravitaatioaaltojen aallonpituus oli hyvin pieni. Sen jälkeen maailmankaikkeus on kuitenkin laajentunut yli tekijällä miljoona miljardia ja aallot ovat venyneet, aivan kuten valo. Niinpä niiden nykyinen aallonpituus sattuu LISAn haarukkaan, vaikka ei olekaan varmaa, ovatko ne niin voimakkaita, että LISA pystyy niitä havaitsemaan. Helsingissä Mark Hindmarsh ja David Weir tutkivat näitä gravitaatioaaltoja, ja LISAn kosmologiatyöryhmän seuraava kokous on Helsingin yliopistolla ensi kesäkuussa.

Haastavalla hankkeella on ollut vaikeuksia. Budjettileikkausten takia NASA vetäytyi projektista vuonna 2011. LISAn toteutuminen oli vaakalaudalla, ja siitä kaavailtiin halvempaa versiota eLISA (e niin kuin eurooppalainen). LIGOn menestyksen jälkeen NASA kuitenkin ilmoitti haluavansa takaisin mukaan, ja nyt LISA on taas Euroopan avaruusjärjestö ESAn ja NASAn yhteinen hanke.

LIGOn lisäksi LISAn purjeisiin on puhaltanut tuulta pilottiprojekti LISA Pathfinderin onnistuminen yli odotusten. Satelliittien säätäminen tai korjaaminen on hankalaa silloin kun se ei ole mahdotonta, joten kaiken täytyy toimia ensi yrityksellä, ja LISAn vaatima herkkyys asettaa isot vaatimukset. Niinpä joulukuussa 2015 laukaistiin kiertoradalle LISA Pathfinder, jonka tarkoituksena oli vain testata teknologiaa. Kaikki sujui erinomaisesti, ja jos kaikki jatkuu samaa rataa, LISAn kolmikko kohoaa kiertämään Aurinkoa vuonna 2034.

Myös Maahan suunnitellaan isompia detektoreita. Einstein Telescopea kaavaillaan maan alle KAGRAn tapaan, kymmenen kilometrin tunneleilla. Cosmic Explorer olisi kenties maanpinnalla, mutta neljä kertaa pidemmillä tunneleilla. Kumpikin on vielä suunnitteluasteella, eikä niiden toteutumista tai aikataulua tiedetä vielä. Varmaa on kuitenkin se, että nyt on otettu vasta gravitaatioaaltotutkimuksen alkuaskeleet.

---

Moninainen yksinkertaisuus

30.11.2017 klo 20.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minulta kysyttiin erään julkisen puheen jälkeen voisiko nykyisiä fysiikan teorioita yhdistävä ja laajentava yhtenäisteoria olla niitä yksinkertaisempi. En tainnut osata antaa selkeää vastausta, koska yksinkertaisuus on monimutkainen asia.

Mikään tuleva yhtenäisteoria ei voi olla nykyisiä teorioita yksinkertaisempi siinä mielessä, että sen täytyy kattaa vähintään kaikki samat asiat kuin mitä ne pätevyysalueellaan onnistuneesti selittävät. Se voi kuitenkin olla sikäli yksinkertaisempi, että tunnetut asiat seuraavat pienemmästä määrästä oletuksia ja sopivat yhteen paremmin. Tarkemmin sanottuna teoriat voivat olla yksinkertaisia ainakin kahdella tavalla.

Ensinnäkin teoria voi olla yksinkertainen siksi, että sen matemaattinen rakenne on yksinkertainen. Esimerkiksi Newtonin mekaniikan voi muotoilla lukiomatematiikalla: funktiot, derivaatat, integraalit ja vektorit riittävät, mitään hankalampaa ei tarvita.

Toisekseen teoria voi olla yksinkertainen siksi, että sen matemaattisen rakenteen puitteissa tarvitaan vain vähän oletuksia ja eivätkä ne ole monimutkaisia. Newtonin mekaniikan sääntö siitä, miten kappaleet liikkuvat, on tässä mielessä yksinkertainen: kappaleen kiihtyvyys on verrannollinen voimaan. Tällainen laki ei ole Newtonin mekaniikan puitteissa monimutkainen.

Newtonin mekaniikka on kuitenkin sikäli monimutkainen, että se ei kerro, millaisia voimia on olemassa. Kappaleiden väliset vuorovaikutukset pitää erikseen keksiä tai kokeellisesti määrittää kaikille tutkituille tapauksille erikseen. Newtonin mekaniikan matemaattinen rakenne rajoittaa sitä, millaisia vuorovaikutukset voivat olla, mutta se jättää valtavasti valinnan varaa.

Syy siihen, että Newtonin mekaniikka ei ole yksinkertainen, on siis se, että sen matemaattinen rakenne ei ole tarpeeksi rajoittava.

Kvanttikenttäteorian tilanne on päinvastainen. Sen rakenne koostuu hienostuneesta matematiikasta, eikä sitä ole vieläkään muotoiltu matemaattisesti tyydyttävällä tavalla. Kvanttikenttäteorian täsmällinen määrittäminen on yksi Clay-instituutin matematiikan Millennium-ongelmista. Fyysikot ovat kuitenkin onnistuneesti käyttäneet kvanttikenttäteoriaa yli 60 vuotta (se onkin tarkimmin testattu teoria fysiikan historiassa) ja ovat yleisesti sitä mieltä, että sen rakenne ymmärretään tarpeeksi hyvin fysiikkaa silmällä pitäen.

Kvanttikenttäteorian matemaattinen rakenne on tiukka. Kun sen puitteissa valitaan sopiva symmetria ja hiukkassisältö, niin teoria määrää kaikki hiukkasten väliset vuorovaikutukset, ja yleensä niitä on vain muutama erilainen. Tässä mielessä kvanttikenttäteoria on yksinkertainen: teorian määrittämiseen riittää pieni määrä tietoa, kun yleinen rakenne on annettu.

Vaikka kvanttikenttäteoriassa on vähemmän oletuksia kuin Newtonin mekaniikassa, se pystyy kuvaamaan kaikkia Newtonin mekaniikan ilmiöitä (ja paljon muuta), koska sen hienostunut rakenne kehittää yksinkertaisista palikoista monimutkaisia kokonaisuuksia. Tätä voi verrata siihen, miten shakin yksinkertaisista säännöistä rakentuu monimutkaisia pelejä.

Voi sanoa, että monimutkaisuus on siirretty yksittäisten oletusten tekemisestä rakenteen kehittyneisyyteen. Tässä saavutaan kauneuden äärelle. Esteettisten arvioiden tekeminen on keskeinen osa rakenteiden valintaa, ja yksinkertaisuus kuuluu kauneuteen. Joskus sanotaan, että sellaiset fysiikan lait ovat kauniita, jotka selittävät mahdollisimman suuren määrän ilmiöitä mahdollisimman pienellä määrällä oletuksia. Tällä ei tarkoiteta oletuksia siitä, millainen matemaattinen rakenne on valittu, vaan valintoja rakenteen puitteissa.

Rakenteen valinta ja rakenteen sisällä tehdyt valinnat liittyvät toisiinsa. Joissakin suhteissa rakenne määrittää sen, millainen teoria on, toisissa se saa ohjaa valintoja siten, että jotkut vaihtoehdot näyttävät ilmeisiltä ja toiset oudoilta. Rakenteen valintaa puolestaan ohjaa esteettisten mieltymysten ohella se, miten rakenteet esitetään.

On erilaisia tapoja ilmaista sama matemaattinen rakenne. Erilaiset tavat sisältävät samat asiat, mutta kussakin asioiden suhteet näyttävät erilaisilta. Newtonin mekaniikalla, kvanttimekaniikalla, kvanttikenttäteorialla, suppealla ja yleisellä suhteellisuusteorialla on jokaisella oma kielensä, jolla ilmaistuna teoria näyttää yksinkertaiselta ja kauniilta.

Suppean suhteellisuusteorian alkeiden esittelyssä käytetään usein Newtonin mekaniikan kieltä. Tällöin sanotaan, että suppeassa suhteellisuusteoriassa oletetaan valon nopeuden olevan vakio. Tämä oletus tuntuu luonnottomalta ja tarpeettomalta. Jos suppean suhteellisuusteorian esittää sille ominaisella tavalla, aika-avaruuden kielellä, valon nopeus ei ole oletus vaan seuraus, ja teoria yhdistää Newtonin erillisen ajan ja avaruuden selkeämmäksi rakenteeksi. Aika-avaruuden puitteissa tarkasteltuna Newtonin mekaniikan jotkut irralliset piirteet seuraavat nyt yhdessä aika-avaruuden ominaisuuksista.

Samalla tavalla yleinen suhteellisuusteoria vaikuttaa Newtonin mekaniikan kielellä kuvattuna olevan täynnä kummallisia oletuksia, mutta kun sen kirjoittaa aika-avaruuden muotojen avulla, niin näkee, että kaikki seuraa kaarevuudesta.

Vastaavasti jotkut kvanttimekaniikan kummallisuudet ovat lineaarialgebran, kvanttimekaniikan luonnollisen kielen, avulla kuvattuina niin selkeitä, että niitä ei huomaa edes ihmetellä.

Nykyisten yhtenäisteorioiden valottama vastaus kysymykseen siitä, voiko tuleva yhtenäisteoria olla nykyisiä teorioita yksinkertaisempi on siis kahtalainen. Sen matemaattinen rakenne on varmasti monimutkaisempi, mutta tämän rakenteen puitteissa toivottavasti tarvitaan vähemmän oletuksia ja ne näyttävät vähemmän kummallisilta. Unelmana on, että lopullisessa teoriassa, kaiken teoriassa, ei tarvitsisi olettaa mitään, koska matemaattinen rakenne määräisi kaiken. Tämä olisi Murray Gell-Manin totalitaristisen periaatteen puhtain ilmaisu: mahdollista on vain se, mikä on pakollista.