Kosmokseen kirjoitettua

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.

---

Aika-avaruuden ainesosat

19.11.2017 klo 22.45, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pecha Kucha –esitykseni Higgs ja maailmankaikkeuden synty päättyi näin:

Higgs-inflaatiossa on sellainen erityispiirre, että Higgs kytkeytyy aika-avaruuteen poikkeuksellisella tavalla, niin että Higgs-inflaation jättämistä vihjeistä taivaalla, erityisesti inflaation aikana syntyneiden gravitaatioaaltojen jäljistä, on mahdollista päätellä mitkä ovat aika-avaruuden ainesosat. Yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka kuvaa aika-avaruutta, on nimittäin erilaisia versioita, emmekä tiedä mikä niistä on oikea: onko yleinen suhteellisuusteoria sellainen kuin sen muotoili Albert Einstein vuonna 1915, 1925, 1930, vai Abhay Ashtekar vuonna 1986, vai aivan muunlainen? Mutta tämän kertominen tarkemmin veisi meidät jo toiseen tarinaan.

Avaan nyt tätä tarinaa, joka kertoo yhdestä tämänhetkisestä tutkimuskohteestani.

Yleinen suhteellisuusteorian ydinajatus on se, että gravitaatio on aika-avaruuden ominaisuus. Vuonna 1915, jolloin Albert Einstein ja David Hilbert viimeistelivät tämän idean täsmällisen muotoilun, se oli täysin uudenlainen ja odottamaton suunta fysiikassa. Kaikkia aiemmin tunnettuja vuorovaikutuksia välitti jokin kenttä aika-avaruudessa, ja ensimmäiset yritykset gravitaation ja suppean suhteellisuusteorian yhteen saattamiseksi yrittivät kulkea samaa reittiä.

Tämä yleisen suhteellisuusteorian perusta todettiin pian oikeaksi ja hyväksyttiin laajalti, mutta Einstein ei levännyt laakereillaan. Ei ole mitään muuta gravitaatiokenttää kuin itse aika-avaruus, mutta mistä aika-avaruus koostuu?

Einstein ja Hilbert olivat lähteneet siitä oletuksesta, että aika-avaruuden kaikki ominaisuudet voi päätellä etäisyyksistä. Idea on helppo ymmärtää: jos tietää pinnan kunkin pisteen etäisyyden jokaisesta muusta pisteestä, tuntee sen muodon kokonaan. Esimerkiksi vuoren lisääminen tasaiseen pintaan kasvattaa vuoren eri puolilla olevien pisteiden etäisyyttä toisistaan suoraa reittiä pitkin mitattuna. (Sen erottaa tasaisen tilan lisäämisestä niiden välille se, että vuori ei kasvata sen ympäri kulkevan reitin pituutta.)

Kaikkien pisteiden etäisyyksiä toisistaan kuvaavaa suuretta kutsutaan nimellä metriikka. Jossain mielessä voi sanoa, että metriikka on se kenttä, joka kuvaa gravitaatiota, mutta toisin kuin vaikkapa sähkökenttä, se on erottamaton osa aika-avaruutta. Einsteinin ja Hilbertin alkuperäistä versiota kutsutaan yleisen suhteellisuusteorian metriseksi muotoiluksi.

Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika-avaruudella on kuitenkin enemmän rakennetta kuin vain etäisyydet, esimerkiksi suunnat. Niinpä teorian määrittämiseksi pitää kertoa, miten suunnat muuttuvat pisteestä toiseen siirryttäessä. (Eli, matemaattisesti ilmaistuna, miten otetaan derivaattoja vektoreista.) Tämän kertoo suure nimeltä konnektio.

Einsteinin ja Hilbertin versiossa suuntien muutokset seuraavat etäisyyksien muutoksesta (eli teknisesti sanottuna metriikka määrää konnektion). Periaatteessa etäisyyksien ja suuntien muutokset ovat kuitenkin toisistaan riippumattomia aika-avaruuden ominaisuuksia. Vuonna 1925 Einstein esitteli uuden version yleisestä suhteellisuusteoriasta, jossa ei oleteta niiden suhteesta mitään. Sittemmin Einstein laittoi idean Attilio Palatinin nimiin, ja nykyään se tunnetaan Palatinin muotoiluna. Tässä versiossa voi sanoa aika-avaruuden koostuvan metriikasta ja konnektiosta. Oleellista on se, miten aine vuorovaikuttaa aika-avaruuden kanssa. Jos aine ei vuorovaikuta suoraan konnektion kanssa, niin metriikka yksin määrää konnektion, ja tulos on sama kuin alkuperäisessä muotoilussa – ainakin jos metriikan ja konnektion vuorovaikutus on yksinkertaisin mahdollinen. Einstein päätyi tähän, ja tämän takia metristä ja Palatini-versiota joskus pidetään vain erilaisina tapoina kuvata samaa teoriaa.

Jos aine kuitenkin kytkeytyy suoraan konnektioon, niin tämä ei määräydy pelkästään metriikasta, vaan riippuu myös aineesta. Tällöin metrinen ja Palatini-versio ovat erilaisia teorioita: koska suunnat muuttuvat eri tavalla näissä teorioissa, niin aine liikkuu eri tavalla.

Suurin osa aineesta vuorovaikuttaa aika-avaruuden kanssa vain metriikan kautta (tai ainakin mahdollinen ero tästä on niin pieni, että sillä ei ole merkitystä). Higgs voi kuitenkin tehdä poikkeuksen. Teoria, jossa Higgsin kenttä on vastuussa kosmisesta inflaatiosta pohjaa siihen, että Higgs kytkeytyy metriikan lisäksi suoraan konnektioon. Tämä vaadittava poikkeuksellinen suora puheyhteys Higgsin ja konnektion välillä onkin syynä siihen, että idea keksittiin melko myöhään. Fedor Bezrukov ja Mikhail Shaposhnikov kehittivät Higgs-inflaation vasta 2007, yli 25 vuotta inflaation keksimisen jälkeen.

Jos Higgsin kenttä on vastuussa inflaatiosta, niin maailmankaikkeus laajenee ja Higgs kehittyy inflaation aikana eri tavalla riippuen siitä, kuvaako aika-avaruutta metrinen vai Palatini-versio yleisestä suhteellisuusteoriasta. Erityisesti Higgsin kvanttivärähtelyt eroavat toisistaan, joten niiden perilliset, kosminen mikroaaltotausta ja galaksien jakauma taivaalla, näyttävät nykypäivänä erilaisilta.

Suurin ero on inflaation synnyttämissä gravitaatioaalloissa. Palatinin tapauksessa gravitaatioaallot ovat paljon heikompia, kenties jopa siinä määrin, että niitä ei voida käytännössä koskaan havaita. Viimeksi turhan innokas BICEP2-koeryhmä ja Planck-tiimi ovat yrittäneet erottaa gravitaatioaaltojen sormenjälkiä kosmisesta mikroaaltotaustasta. Seuraavan sukupolven kokeista kaavaillaan noin sata kertaa tarkempia, mikä riittäisi Higgs-inflaatiossa syntyvien aaltojen havaitsemiseen metrisessä versiossa, mutta ei Palatinissa.

Toisin sanoen, jos oletetaan, että Higgs on vastuussa inflaatiosta, niin kosmisen mikroaaltotaustan mittaukset kertovat, mistä aika-avaruus koostuu: yksin metriikasta vaiko sekä metriikasta että konnektiosta.

On tietysti mahdollista, että inflaatiosta on vastuussa jokin muu kenttä kuin Higgs: ehdokkaita on satoja. Higgsin tarinassakin on vielä monia käänteitä. Yksi on se, että Higgs-inflaation tapauksessa sen luotettava laskeminen, miten kvanttikorjaukset vaikuttavat Higgsin kentän kehitykseen inflaation aikana, on osoittautunut lähes ylitsepääsemättömän vaikeaksi. Tähän tarvitaan jokin uusi oivallus, jotta tulokset voi ottaa täysin vakavasti. Toinen on se, että metrinen ja Palatini eivät ole ainoat versiot yleisestä suhteellisuusteoriasta. Vuonna 1930 Einstein kehitti kolmannen version, teleparalleelin gravitaation, joka Higgs-inflaation tapauksessa on taas uusi teoria, ei vain muotoilu.

Eikä yleisen suhteellisuusteorian kehittäminen loppunut Einsteiniin. Säieteorian jälkeen tutkituin ehdotus kvanttiteorian ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämiseksi, silmukkakvanttigravitaatio, perustuu Abtay Ashtekarin vuonna 1986 esittämään muotoiluun, jossa aika-avaruus ei pohjimmiltaan koostu metriikasta eikä konnektiosta vaan sittemmin Ashtekarin muuttujina tunnetuiksi tulleista perustavanlaatuisemmista palikoista. Higgs-inflaation tapauksessa tästä on seurauksensa, mutta silmukkakvanttigravitaatio ja Ashtekarin muuttujat olisivat taas kolmannen tarinan aihe.

---

Hyödystä

31.10.2017 klo 16.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuin Eteläsuomalaisen osakunnan 112. vuosijuhlassa 14.10.2017 tieteen tiimoilta. Puhe meni jokseenkin näin.

Arvoisa inspehtori, kunniajäsenet, esolaiset, edustajat ja muut vieraat.

Ensinnäkin, kiitos vuosijuhlatoimikunnalle kutsusta puhujaksi tänne Eteläsuomalaisen osakunnan vuosijuhlaan numero 112.

Minua pyydettiin puhumaan siitä, miten kaikilla tieteenaloilla on annettavaa yhteiskunnalle.

Nykyään ei ole tavatonta kysyä, mitä hyötyä tästä tutkimuksesta tai tuosta tieteenalasta on, ja Helsingin yliopiston johtokin haluaa karsia tarpeettomina pitämiään oppiaineita.

Puhuessani viime viikolla Kajaanin Planeetan 30-vuotistilaisuudessa omasta alastani, kosmologiasta, eräs yleisön jäsen kysyi, yrittävätkö Suomen hallitus tai teolliset yhteistyökumppanit vaikuttaa tutkimuksen sisältöön. Saatoin vastata, että kosmologiassa olemme siinä onnellisessa asemassa, että tutkimuksemme on täysin hyödytöntä.

Kosmologiasta ei voi täysin päin ja puhtain sydämin luvata ainuttakaan teknologista sovellusta. Maailmankaikkeuden synnyn, kehityksen ja koostumuksen tarkempi tuntemus ei välttämättä anna meille enemmän särvintä leivän päälle, juomaa lasiin tai kissoja kännykkään.

Tähtitieteen, kosmologian, luonnontieteen kautta olemme kuitenkin oppineet, että taivas on samaa ainetta kuin maa ja yhtenäisten lakien alainen, ja taivaan takana on toisia maailmoja, lukemattomia; eivätkä tähdet ole reikiä jurtassa vaan naapuriemme aurinkoja, ja arjen yllä avautuu kaikkeus täynnä asioita, jotka eivät ole ihmeitä, koska ne ovat todellisia; mutta kammottavia ja kauniita ihmisen mitan yli.

Olemme saaneet selville, miten kaikki tämä on syntynyt sattumanvaraisista kvanttivärähtelyistä yli aikakausien joiden pituuksia ei voi inhimillisesti hahmottaa, mutta jotka silti tiedämme täsmällisesti kuin viisarien liikkeet. Olemme oppineet, miten ytimet, atomit, planeetat ovat kietoutuneet kasaan ja miten yhdestä itseään kopioivasta molekyyliketjusta on kehittynyt apinoita, kuten me ja serkkulajimme.

Luonnontiede on mullistanut käsityksen maailmankaikkeudesta –siis ympäristöstä, sanan laajimmassa merkityksessä–, asemastamme siinä ja siitä millaisia olemme: keitä me olemme ja mihin me kuulumme.

Arvoisat kuulijat, kaikki tämä on hyödytöntä, jos ymmärryksellä ei ole itseisarvoa.

Luonnontiede on toki mullistanut myös arkemme: muuttanut leivän, muokannut lasia ja mahdollistanut kännykän, usein lähtien tutkimuskysymyksistä, joilla ei ole ollut mitään ilmeisiä sovelluksia. Mutta vaikka tutkimalla maailmaa perustavanlaatuisimmalla tasolla opimme muokkaamaan sitä, kaikki ymmärrys ei auta manipuloinnissa.

Mutta jos maailman ymmärtäminen sinänsä on hyödytöntä, niin miten arvotonta onkaan ihmisten ymmärtäminen: ei vain sen setviminen, miten käsityksemme ovat muuttuneet maailman ovien auetessa luonnontieteen myötä, vaan koko historian, kielten, kulttuurien moninaisuuden laittamisessa järjestykseen ja valaisemisessa eri kulmista.

Kuinka hyödytöntä, kuinka turhaa, jos tarkoituksena on valjastaa terävin ajattelu ja kriittisimmät oivallukset tuottavuuden vaunuihin, vetämään nykyhetkeä eteenpäin, ottaen yhteiskunnan valmiina.

Arvoisat kuulijat, kaikki ympärillämme on ollut tuntematonta, kiistanalaista ja kiellettyä. Jos mennään Roomaan asti, sellaiset muotoseikat kuten housut miehillä, tai myöhemmin, housut naisilla, tai naiset yliopistolla, tai ihmiset jotka eivät ole naisia eivätkä miehiä, tai se, että voimme arvostella vallanpitäjiä ja vaatia muutosta.

Jos puhutaan hyödystä ja sovelluksista, niin muistettakoon miten eri alojen tutkimus tuo esille sen mikä on ollut ja on, osoittaa vaihtoehtojen moninaisuuden. Ymmärrys ohi tavanomaisuuden näyttää miten rajoitettuja ovat ne tarinat mitä kerromme toisillemme menneisyydestä, siitä mikä olisi voinut olla toisin ja minkä pitäisi olla toisin.

Kriittinen katsaus yhteiskuntaan auttaa riisumaan paljaaksi sen uskomuksen, että juuri me olemme saavuttaneet sivilisaation lopullisen tasangon, että nyt riittää toistaa nykyisyyttä ja hyväksyä ne tarinat, joita annamme kertoa itsellemme ja säännöt, joilla niistä tehdään totta.

Mitään ei ole naulattu paikoilleen: yhteiskunta toisaalla edistyy, toisaalla suistuu, ja meillä kaikilla on osa suunnan määrittämisessä.

Ikiaikaisena normina esitetyt asiat keksittiin eilen ja yhteisten sääntöjen avulla puolustetaan tekoja, jotka ovat sääntöjen vastaisia.

Tällaisista asioista on helppo puhua yleisesti, mutta ne saavat sisältöä, ja vastustusta, vain kun mennään esimerkkeihin.

Suomen perustuslaki kieltää lähettämästä ketään ihmisarvoa loukkaavan kohtelun alle, mutta valtiolla on kokonainen koneisto turvaa hakevien kanssaihmistemme karkottamiseksi vainoon.

Toisena esimerkkinä yhteiskunnan suistumisesta ja sanoinkuvaamattoman normalisoitumisesta mainittakoon se, että Suomi ruokkii tämän hetken pahinta inhimillistä katastrofia myymällä Jemeniä tuhoaville Saudi-Arabialle ja Yhdistyneille Arabiemiirikunnille aseita, vaikka EU:n sitovat asevientisäännöt kieltävät viennin, jos on riski, että aseita käytetään hyökkäykseen toista maata vastaan tai ne pidentävät konfliktia.

Näitä lain rikkomuksia puolustetaan paitsi vetoamalla lakiin, myös hyötyyn. Kaiken tämän perkaaminen ja ikkunan avaaminen uuteen suuntaan, josta saattaa näkyä pala kirkasta taivasta, sitä sen sijaan ei lueta hyödyn piiriin

Arvoisat yliopistolaiset, teillä –meillä– on erityinen mahdollisuus kyseenalaistaa näitä tarinoita ja tekoja, tulla kuulluksi, muuttaa suuntaa, sanalla sanoen olla hyödyksi kamppailussa sivistyksen edistämisestä.

---

Useiden sanansaattajien aikakausi

21.10.2017 klo 15.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

LIGO/Virgo-tutkimusryhmällä pitää kiirettä. Syyskuun lopulla se ilmoitti uusimmasta havainnosta musta aukko –parin törmäyksestä syntyneistä gravitaatioaalloista. Kuusi päivää sen jälkeen Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia julisti Reiner Weissin, Barry C. Barishin ja Kip. S. Thornen saavan Nobelin palkinnon LIGOn havaintojen tiimoilta. Vajaa kaksi viikkoa myöhemmin, viime maanantaina, LIGO/Virgo tiedotti ensimmäisestä koskaan havaitusta neutronitähtien törmäyksestä. (Kommentoin asiaa tuoreeltaan Ylelle.)

Toisiaan kohti suistuvien tähtien synnyttämä gravitaatioaalto pyyhkäisi läpi Maan 17. elokuuta, vain kolme päivää syyskuussa ilmoitetun musta aukko –parin aikaansaaman aallon jälkeen. Tämä havainto neutronitähdistä on LIGOn toistaiseksi merkittävin löytö (LIGOn ensimmäistä gravitaatioaaltohavaintoa kenties lukuun ottamatta). Samalla se on paluu gravitaatioaaltohavaintojen juurille.

Gravitaatioaaltojen olemassaolo osoitettiin kokeellisesti ensimmäistä kertaa juuri toisiaan kiertävien neutronitähtien avulla. Vuonna 1974 Russell Hulse ja Joseph Taylor löysivät kaksoisneutronitähtijärjestelmän, joka on sittemmin nimetty heidän mukaansa. Seuraamalla näitä toistensa ympärillä vinhasti kieppuvia tähtiä huomattiin, että ne lähestyvät toisiaan, mistä voi päätellä niiden menettävän energiaa. Yleisestä suhteellisuusteoriasta voidaan laskea, millä tahdilla tähtien pitäisi lähettää energiaa mukanaan vieviä gravitaatioaaltoja, ja tulos vastaa havaintoja. Hulse ja Taylor saivatkin tästä Nobelin palkinnon.

Hulse-Taylorin neutronitähtiparin suhde on melko vakaa, ja kestää satoja miljoonia vuosia ennen kuin ne törmäävät. LIGO ja Virgo näki sen sijaan nyt havaitun parin elämän viimeiset 100 sekuntia, joiden lopussa ne tuhoavat toisensa väkivaltaisesti. Signaali oli voimakkain toistaiseksi nähty gravitaatioaalto, koska kohde oli kosmologisesti ottaen hyvin lähellä, vain 100 miljoonan valovuoden päässä.

Ei itse asiassa ole varmuutta siitä, olivatko molemmat parin jäsenet neutronitähtiä, mutta ainakin toinen luultavasti oli. Tämä on päätelty kahdesta seikasta.

Ensinnäkin molemmat kohteet olivat kevyitä: toisen massa oli noin yhden Auringon massan verran, toisen yhdestä kahteen. Tämä on oikea suuruusluokka neutronitähdille, kun taas tähtien romahduksesta syntyneiden mustien aukkojen odotetaan olevan raskaampia. Toisekseen, paljon tärkeämpää on se, että ensimmäistä kertaa nähtiin törmäykseen liittyvää sähkömagneettista säteilyä, niin näkyvää kuin näkymätöntäkin valoa.

Gravitaatioaallot saapuivat Maahan ensin, 1.7 sekuntia niiden jälkeen tuli gammasädepurkaus (eli korkeaenerginen sähkömagneettinen säteily), 11 tuntia sen jälkeen näkyvä valo, 9 päivän kuluttua röntgensäteet ja 16 päivää myöhemmin radioaallot. Mustien aukkojen törmäyksestä ei synny tällaisia signaaleja, joten ainakin toinen kappaleista oli neutronitähti (ellei sitten jokin toistaiseksi tuntematon vielä eksoottisempi kappale).

Siinä, että LIGO löysi gravitaatioaallot toissavuonna ei ollut mitään yllättävää; olisi hämmästyttävää, jos niitä ei olisi olemassa. Kuten olen maininnut, gravitaatioaallot ovat merkittäviä siksi, että ne avaavat aivan uuden kanavan maailmankaikkeuteen. Nyt julkistettu neutronitähtihavainto on ensimmäinen esimerkki tutkimustavasta, joka on saanut muodikkaan nimen multimessenger astronomy, suomeksi siis ”useiden sanansaattajien tähtitiede”, mikä tarkoittaa saman ilmiön havaitsemista erilaisia riippumattomia reittejä pitkin.

Gravitaatioaallot ja erilaiset sähkömagneettiset signaalit syntyvät törmäyksen ja siitä syntyneen jäänteen (joka saattaa olla neutronitähti tai musta aukko) kehityksen eri vaiheissa. Niinpä katsomalla taivasta eri signaalien avulla voi seurata tapahtuman eri vaiheita.

Erilaisten signaalien mittaaminen samasta kohteesta edellyttää tehokasta koordinaatiota. Ensimmäiseksi Fermi-satelliitti havaitsi gammasäteet ja lähetti ilmoituksen siitä 14 sekuntia myöhemmin. LIGO/Virgo huomasi kuuden minuutin kuluttua, että yhdessä heidän kolmesta detektoristaan oli signaali 1.7 sekuntia ennen gammasäteitä. Koska aika oli hyvin lähellä gammasäteiden tuloaikaa eli gravitaatioaalloilla luultavasti oli sama alkuperä, LIGO/Virgo lähetti 34 minuutin kuluttua hälytyksen tapahtuneesta, jotta kymmenet tutkimusryhmät ympäri maailmaa osasivat suunnata teleskooppinsa maan päällä ja avaruudessa sinne mistä gammasäteet olivat tulleet. Neljän tunnin ja 33 minuutin kuluttua LIGO/Virgo oli saanut analysoitua kaikkien kolmen havaintolaitteensa datan ja vahvisti, että gravitaatioaaltosignaali tuli samasta paikasta kuin gammasädepurkaus, vahvistaen, että ne ovat osa samaa tapahtumaa.

Gravitaatioaaltojen ja valon lisäksi tapahtumaa yritettiin nähdä myös neutriinojen avulla: Etelänavan alla oleva IceCube-detektori, Välimeren syvyydessä oleva Antares ja 3 000 neliökilometriä Argentiinan pampaa yli kilometrin korkeudessa kattava Pierre Auger –observatorio yrittivät kukin nähdä törmäyksen jälkeen syntyneissä hiukkasvirroissa syntyneitä neutriinoja, mutta niitä ei ilmeisesti syntynyt tarpeeksi, koska mitään ei havaittu. Tämäkin on hyödyllistä tietoa, koska se rajoittaa sitä, mitä törmäyksen jälkeen voi tapahtua.

Usean sanansaattajan tähtitiede mahdollistaa uudenlaiset tarkkuustestit, joita ei voi tehdä pelkästään yhdenlaisella signaalilla.

Yksi esimerkki on sellaisten mallien tutkiminen, missä maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista yritetään selittää muokkaamalla yleistä suhteellisuusteoriaa. Yleisessä suhteellisuusteoriassa valoaallot ja gravitaatioaallot kulkevat samalla nopeudella. Kun gravitaatiopuoleen lisää kaikenlaista kommervenkkiä, niin tämä muuttaa gravitaatioaaltojen kulkua, mutta ei valon (tai ainakin ne muuttuvat eri tavalla). Se, että valoaallot ja gravitaatioaallot saapuivat Maahan 1.7 s päässä toisistaan kuljettuaan 100 miljoonaa valovuotta tarkoittaa sitä, että niiden nopeudet voivat erota toisistaan vain sen verran kuin pari sekuntia eroaa 100 miljoonasta vuodesta, eli miljardisosan miljoonasosan verran. Tämä on niin tiukka raja, että se osoittaa vääräksi tämän kokonaisen luokan malleja kiihtyvän laajenemisen syistä.

Saman tyyppistä ideaa voi soveltaa myös yrityksiin korvata pimeä aine gravitaatiolain muutoksella. Tällaisissa malleissa tehdään jossain mielessä vastakkaisesti kuin kiihtyvän laajenemisen selityksissä: niissä muutetaan gravitaatiota siten, että aine ja valo liikkuvat eri tavalla, mutta gravitaatioaallot käyttäytyvät kuten ennen. Jotta mallit sopivat havaintoihin, niiden ennusteiden pitää olla hyvin samanlaiset kuin pimeän aineen, eli aine ja valo tuntevat isomman gravitaation kuin mitä pelkästään tavallinen aine synnyttää. Mitä voimakkaampi gravitaatiokenttä on, sitä hitaammin aika kulkee. Tällaisissa malleissa valo kulkee siis hitaammin kuin gravitaatioaallot. Yleisessä suhteellisuusteoriassa sen sijaan ne tuntevat saman gravitaatiokentän ja kulkevat siksi samalla nopeudella. Meidän ja neutronitähtiparin välissä oleva aine aiheuttaa kuukausien viiveen, mutta havaittu ero gammasäteiden ja gravitaatioaaltojen kulkuun on vain 1.7 sekuntia. Tästä voi päätellä, että tällaiset pimeää ainetta korvaavat mallit ovat väärässä, ainakin nykymuodossaan. Jos ne haluaa pelastaa, niitä pitää muokata siten, että myös gravitaatioaallot hidastuvat kuin pimeää ainetta olisi olemassa, mikä ei ole aivan yksinkertaista.

Jos havaitsijat työskentelivät kuumeisesti kun gravitaatioaaltosignaali jäi haaviin, niin teoreetikot ovat kiivaasti kirjanneet johtopäätöksiään ylös havainnon julkistamisen aikoihin. Ensimmäiset teoreettiset artikkelit laitettiin nettiarkisto arXiviin samana päivänä kun havainnot julkistettiin (jotkut jopa ennen julkistamista), huhujen levittyä laajalle. Olen par’aikaa vierailulla Oxfordissa, ja täällä työskentelevä Pedro Ferreira ja hänen yhteistyökumppaninsa aloittivat muokatun gravitaatiolain mallit vääräksi osoittavan artikkelin tekemisen perjantaina ja saivat sen valmiiksi maanantaina, laittaen sen arXiviin kaksi tuntia ja kolme minuuttia LIGO/Virgon lehdistötilaisuuden alkamisen jälkeen. Samaa asiaa käsittelevät kahden muun ryhmän hyvin samanlaiset artikkelit laitettiin arXiviin 13 ja 53 minuuttia myöhemmin, ja ne kaikki ilmestyivät tiistaina.

LIGO/Virgo ja muut havaintoja tehneet ryhmät olivat sikäli ihailtavan hillittyjä, että ne julkistivat tuloksensa vasta niiden käytyä läpi vertaisarvioinnin, toisin kuin gravitaatioaaltoja löytäneensä luullut BICEP2-ryhmä vuonna 2014.

Näillä havainnoilla voi tehdä paljon muutakin, esimerkiksi mitata maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta ja asettaa rajoja neutronitähtien mahdolliselle pimeästä aineesta muodostuvalle ytimelle. Data-analyysi jatkuu, ja päivitystauolla olevat LIGO/Virgo käynnistyvät ensi vuonna entistä ehompina. Perustavanlaatuista fysiikkaa luotaavien havaintojen kärki on siirtynyt maanalaisista hiukkaskiihdyttimistä taivaan katsomiseen. LIGO/Virgon artikkelin sanoin: ”Alle kaksi vuotta gravitaatioaaltotähtitieteen ensi-illasta [nyt havaittu aalto] GW170817 merkitsee uusien löytöjen aikakauden alkua.”

---

Totuus, tiede ja toiminta

9.10.2017 klo 21.40, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehteen Rihveli 2/2017 kolumnin ”Totuus, tiede ja toiminta” faktoista tieteessä ja politiikassa. Arvostelen siinä mm. huhtikuun tiedemarssia, jossa itsekin puhuin. Kolumni on lehden sivuilla 6-9 ja alkaa näin:

On tullut tavaksi sanoa, että elämme ”totuuden jälkeistä aikaa”, jossa tosiseikat hukkuvat valheiden mereen. Selkeimpänä tapauksena esitellään Yhdysvaltojen nykyistä hallitusta, jonka kärkimies Donald Trumpilla on tosiaan erikoislaatuinen suhde faktoihin. Tilanne on kirvoittanut vetoomuksia ja tempauksia sen puolesta, että päätöksenteko pohjaisi enemmän tutkimustietoon, yhtenä niistä huhtikuun tiedemarssi.

Higgs ja maailmankaikkeuden synty

30.9.2017 klo 12.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Pidin eilen Tutkijoiden yössä Fyysikkoseuran 70-vuotistapahtumassa Pecha Kucha –puheen. Puheeseen kuuluu 20 kuvaa, joista jokainen näkyy 20 sekuntia. Kuvien vaihtumisen vaikutelma tuskin välittyy tekstin sekaan laitettuna, joten jätän ne pois (yhteen niistä minulla taitaakin olla oikeudet vain esitykseen, ei www-sivuille). Mutta puheen sanat olivat jokseenkin seuraavanlaiset.

Fundamentaalinen fysiikka luotaa todellisuutta perustavanlaatuisimmalla tasolla. Tällä hetkellä on päästy siihen, että on kaksi pilaria, joihin kaikki periaatteessa nojaa. Yksi pilari on kvanttikenttäteoria. Sen tärkein osa on hienosyinen, vakaa ja kaunis rakenne jolle on annettu yhtä aikaa vaatimaton ja suureellinen nimi: Standardimalli. Kaikki mitä Maapallolla on, ja mitä tahansa täällä tapahtuu (gravitaatiota lukuun ottamatta) noudattaa Standardimallin sääntöjä.

Standardimalli on saavutuksena vähintään yhtä merkittävä kuin ihmiskunnan mikään arkkitehtoninen tai teknologinen rakennelma. Se kuitenkin eroaa niistä siten, että Standardimallia ei ole rakennettu, vaan se on löydetty. Fysiikka on todellisuuden arkeologiaa, jossa pyramideja ei kaiveta esiin menneisyyden hiekasta, vaan arkisen kokemuksen alta.

Standardimallin viimeinen pala saatiin paikalleen vuonna 2012, kun CERNin LHC-kiihdyttimen haaviin jäi Higgsin hiukkanen. Higgsin hiukkanen on tihentymä Higgsin kentässä, joka täyttää avaruuden ja antaa massat muille hiukkasille.

Nyt kun Higgsin hiukkanen on löydetty ja sen ominaisuudet on mitattu, niin Standardimallista tiedetään periaatteessa kaikki. Kiihdyttimillä etsitään tietä sen tuolle puolen ja yritetään saada kiinni tuntemattomista laeista, säännöistä Higgsin takana. Toistaiseksi mitään uutta ei ole löytynyt, joten katseet suunnataan taivaalle.

Kuten Kari Enqvist meille kertoi, taivaalla näkyvä kosminen mikroaaltotausta on kirjaimellisesti valokuva 14 miljardin vuoden takaa. Mikroaaltotausta syntyi, kun valo ja aine irtosivat toisistaan ensimmäisen kerran. Tummat täplät merkitsevät kohtia, missä oli enemmän ainetta. Tiheät alueet vetävät gravitaation kautta puoleensa lisää massaa ja kasvavat. Ne ovat siemeniä, joista galaksien verkko versoaa. Kaikki maailmankaikkeuden rakenteet juontavat juurensa mikroaaltotaustassa näkyviin sadastuhannesosan kokoisiin epätasaisuuksiin, suurimmasta pienimpään, satojen miljardien valovuosien pituisista galaksien rihmoista galakseihin, aurinkokuntiin, planeettoihin ja kaikkeen mitä niissä on. Myös meidän ulkomuotomme, luontomme ja kaikki kulttuurimme moninaisuus on peräisin näistä sattumanvaraisista kupruista. Siinä kaikki.

Nämä kuprut puolestaan saattavat palautua Higgsin kenttään.

Menestynein selitys rakenteen siementen alkuperälle on kosminen inflaatio. Lyhykäisyydessään ajatuksena on se, että maailmankaikkeuden alkuhetkinä, ensimmäisen sekunnin murto-osien perukoilla, avaruuden laajeneminen kiihtyi. Kiihtyvä laajeneminen teki avaruudesta tasaisen, kuin pöytäliinan vetäisi tiukaksi.

Kiihtyvästä laajenemisesta oli vastuussa jokin kenttä, joka täytti koko avaruuden, kenties Higgsin kenttä. Kentän gravitaatio ei vedä puoleensa, vaan hylkii, joten avaruuden alueet etääntyvät kiihtyvällä tahdilla. Kvanttifysiikan mukaan mikään ei ole täysin tasaista, kaikessa on kvanttivärähtelyjä, niin myös inflaatiota ajavassa kentässä. Inflaation aikana avaruuden nopea laajeneminen venyttää kentän vähäiset värähtelyt hiukkasfysiikan mittakaavasta kosmisiin mittoihin ja jäädyttää ne paikalleen, niin että ne eivät enää värähtele, vaan kiteytyvät siemeniksi.

Inflaation lopuksi kenttä -ehkä Higgsin kenttä- hajoaa tavalliseksi aineeksi, joka perii sen epätasaisuudet. Siellä missä kentän arvo on isompi, syntyy enemmän hiukkasia, mukaan lukien fotoneita, ja 14 miljardia vuotta myöhemmin kvanttivärähtelyjen jäljet hohtavat taivaalla piirrettynä mikroaaltojen näkymättömällä valolla.

Inflaatiossa keskeistä on siis toisaalta kvanttivärähtelyt ja toisaalta maailmankaikkeuden laajeneminen. Avaruuden laajeneminen perustuu fundamentaalin fysiikan toiseen tukipilariin, yleiseen suhteellisuusteoriaan.

Inflaatio on ensimmäinen –ja toistaiseksi ainoa– fysiikan alue, missä kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria ovat kohdanneet siten, että on päästy kokeellisesti testaamaan niiden yhteisiä ennustuksia. Inflaatiossa yhdistyvät lait, jotka hallitsevat yllä ja alla olevaa todellisuutta.

Jos Higgs on vastuussa inflaatiosta, niin tämä tarkoittaa sitä, että taivaalla miljardien valovuosien mittakaavassa näkyvä galaksien jakauma määräytyy LHC-kiihdyttimessä mitatuista hiukkasten ominaisuuksista.

Lisäksi Higgs-inflaatiossa on sellainen erityispiirre, että Higgs kytkeytyy aika-avaruuteen poikkeuksellisella tavalla, niin että Higgs-inflaation jättämistä vihjeistä taivaalla, erityisesti inflaation aikana syntyneiden gravitaatioaaltojen jäljistä, on mahdollista päätellä mitkä ovat aika-avaruuden ainesosat. Yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka kuvaa aika-avaruutta, on nimittäin erilaisia versioita, emmekä tiedä mikä niistä on oikea: onko yleinen suhteellisuusteoria sellainen kuin sen muotoili Albert Einstein vuonna 1915, 1925, 1930, vai Abhay Ashtekar vuonna 1986, vai aivan muunlainen? Mutta tämän kertominen tarkemmin veisi meidät jo toiseen tarinaan.

Veikkauksia piparmintun tiimoilta

28.9.2017 klo 19.33, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Ihmiskunta on tehnyt neljännen havainnon siitä, miten musta aukko -pari kiertää toisiaan ja sulautuu yhteen. Onnellinen tapahtuma oli elokuun 14. päivä, ja siitä kerrottiin julkisuuteen eilen; lehdistötiedote täällä. (Aiemmista havainnoista täällä, täällä ja täällä.) Mustien aukkojen törmäyksen synnyttämiä gravitaatioaaltoja kuvaavaan simulaatioon on tällä kertaa valittu värit, jotka saavat kierteisen aika-avaruuden näyttämään kosmiselta piparminttukaramellilta (tai ehkä hammastahnalta).

Mukana oli nyt kahden Yhdysvalloissa sijaitsevan LIGO-havaintolaitteen lisäksi Italiaan Pisan lähelle rakennettu Virgo. Virgo valmistui jo vuonna 2003, samoihin aikoihin kuin LIGO. Kumpikaan ei kuitenkaan aluksi ollut tarpeeksi herkkä kuulemaan gravitaatioaaltojen heikkoa viestiä, ja Virgo oli päivityksessä vuodesta 2011 viime heinäkuun loppuun asti. LIGO ehti havaita ensimmäiset aallot viime vuonna, ja Virgo ehti mukaan vasta viime elokuun alussa. Vain kaksi viikkoa Virgon mukaan tulon jälkeen kolme laitetta yhdessä havaitsivat aallon. Virgolla oli tuuria, koska havaintokausi lopetettiin jo 25. elokuuta laitteiden parantamista varten.

Havaitut aallot ovat jokseenkin samanlaisia kuin aiemmatkin. Ne ovat syntyneet noin 30 ja 25 Auringon massaisen mustan aukon kiertäessä toisiaan ja sulautuessa 2 miljardin valovuoden päässä. Virgon mukaantulo mahdollistaa signaalin tarkemman tutkimisen. Erityisesti tämä vaikuttaa kahteen asiaan: gravitaatioaaltojen polarisaatioon ja lähteen sijaintiin.

Gravitaatioaallot, kuten valoaallot ja vesiaallot, värähtelevät kohtisuoraan menosuuntaansa. Laineet värähtelevät vain yhteen suuntaan, ylös ja alas. Valo ja gravitaatioaallot sen sijaan voivat värähdellä tasossa eri tavoin, ja eri vaihtoehtoja kutsutaan polarisaatioiksi. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatioaalloilla on kaksi mahdollista polarisaatiota, aivan kuten fotoneilla. Useissa vaihtoehtoisissa gravitaatioteorioissa niitä voi olla enemmän tai vähemmän, yhdestä kuuteen.

LIGOn ja Virgon detektoreissa on kaksi maanpintaa pitkin menevää tunnelia. Gravitaatioaaltojen havaitseminen perustuu siihen, että kiitäessään detektorin läpi ne muuttavat tunnelien pituutta hieman, noin miljardisosan miljardisosan tuhannesosan verran. Värähtelysuunnan määrittämiseksi pitää mitata, miten pituudet muuttuvat eri suuntaan olevissa tasoissa. LIGOn laitteet ovat Yhdysvalloissa vain 3 000 kilometrin päässä toisistaan ja siksi suunnilleen samassa tasossa, mutta Virgo osoittaa eri suuntaan. Niinpä polarisaatio on saatu nyt määritettyä, ensimmäistä kertaa. Mitään poikkeamia yleisen suhteellisuusteorian ennusteista ei, kuten tavallista, ole löydetty.

On oikeastaan ällistyttävää, että mustien aukkojen törmäykset alkavat olla arkea. Elokuun havainnosta liikkui huhuja, joiden mukaan kyseessä olisi jotain kiinnostavampaa, nimittäin kahden neutronitähden törmäys. Monien arvostama tiedelehti Nature julkaisi artikkelin (löytyy myös täältä) aiheesta, jonka otsikossa puhuttiin huhuista ja ingressi selvensi, että kyse oli tarkemmin sanottuna juoruista. Vähemmän arvostettu ScienceAlert jopa uutisoi huhun olevan muka vahvistettu. En ole varma, onko tiedelehtien asia ryhtyä levittämään juoruja (joita tutkimusryhmät viisaasti eivät kommentoineet), vaikka niiden seuraamisessa onkin hevosurheilunomainen viehätys.

LIGO ja Virgo palaavat toimintaan ensi syksynä, ja silloin mustien aukkojen törmäyksiä odotetaan havaittavan viikoittain. Neutronitähtiä odotellaan myös, ja Virgon avulla niiden ominaisuuksien tutkiminen on nyt helpompaa. Kolme laitteen avulla aaltojen suunnan määrittäminen on huomattavasti tarkempaa kuin kahden, joten on helpompi tarkistaa, näkyykö samassa suunnassa samaan aikaan valonvälähdystä. Mustista aukoista tällaista ei odoteta (vaikka ensimmäisen havainnon yhteydessä moista esitettiinkin), mutta neutronitähdistä kyllä. Elokuussa etsittiinkin tällaista välähdystä, mikä antoi neutronitähtihuhuille nostetta. Ensi vuonna pääsee taas veikkaamaan.

---

Tiede-tutkimus-tarina sekä pimeä aine

13.9.2017 klo 16.40, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Perjantaina 29.9. puhun kello 20 alkavassa Suomen Fyysikkoseuran 70-vuotistilaisuudessa Tiede-Tutkimus-Tarina Higgsin kentästä ja inflaatiosta Pecha Kucha –formaatilla. Paikalla ovat puhumassa myös mm. Hanna Vehkamäki molekyylien kosiomenoista ja Kari Enqvist totuuden jälkeisestä ajasta. Juontajana on TV:stä tuttu Anne Liljeström. Tapahtuman traileri on täällä.

Paikkana on Helsingin yliopiston päärakennuksen pieni juhlasali, Fabianinkatu 33 (4. kerros). Puheet livestreamataan, päivitän tiedot tänne myöhemmin. Tilaisuus on ilmainen, mutta sinne sopii ilmoittautua täällä. Kuohuviinitarjoilu.

Tiistaina 3.10. kello 18 puhun Kajaanin planeetan 30-vuotistilaisuudessa (Kaukametsän opiston auditorio, Koskikatu 4 b) aiheesta ”Maailmankaikkeuden historia ja pimeä aine”. Tilaisuus on ilmainen.

Päivitys (20/09/17): Pecha Kucha -puheiden livestream löytyy täältä.

Päivitys (09/10/17): Pecha Kucha -puheeni tallenne löytyy täältä, ja teksti täältä. Kaikkien puheiden tallenteet löytyvät täältä.