Kosmokseen kirjoitettua

Suru Auringon sammumisesta

26.6.2017 klo 18.05, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yleisen kirjallisuustieteen opiskelijoiden Katharsis ry:n lehden Teema uudessa numerossa on kolumnini Suru Auringon sammumisesta. Se alkaa näin:

Esseessään Kosmologia ja science fiction kirjailija Stanislaw Lem valitti vuonna 1977, kuinka scifi on ”kesyttänyt kosmoksen, kutistanut sen lakaisemalla pois ne ikuisesti äänettömät tyhjyydet, joita Pascal kammoksui”. Lem harmitteli sitä, kuinka maailmankaikkeuden paketoiminen inhimilliseen kokoon sopivien seikkailujen taustaksi riisti siltä sen ”oudon, kylmän suuruuden”. Todellisuuden näkemisellä moraalinäytelmänä on kuitenkin kunniakkaat perinteet.

---

Puolustuspuhe kaiken teorialle

16.6.2017 klo 14.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tieteessä tapahtuu –lehden numerossa 4/2017 on julkaistu puolustuspuheeni kaiken teorialle. Se on laajempi versio tammikuun blogimerkinnästäni. Artikkelin viimeinen kappale on seuraava:

Fysiikan sovellusten merkitystä on vaikea yliarvioida. Jos Maapallolla koskaan päästään tilanteeseen, missä ihmiset voivat kaikki elää ihmisarvoista elämää ja osallistua yhtäläisesti ihmisyhteisön asioihin, niin se on mahdollista ainoastaan fysiikan sovellusten, kuten automatisaation, digitalisaation ja modernin tiedonvälityksen, ansiosta. Yhtä tärkeää on kuitenkin se, miten fysiikka auttaa meitä ymmärtämään maailmaa: se selittää sateenkaaren värit, kertoo tähtien olevan etäisiä aurinkoja, paljastaa maailmankaikkeuden historian olevan meidän historiaamme. Lyhyesti sanottuna, fysiikka kehystää inhimillisen kokemuksen, ja kaiken teoria olisi viimeinen sana siitä ympäristöstä, mikä määrää olemassaolostamme.

---

Kolmas pari kaukaisuudessa

6.6.2017 klo 23.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Koeryhmä LIGO julkaisi viime viikolla kolmannen havainnon kahden mustan aukon törmäyksestä syntyneestä gravitaatioaallosta. (Kahdesta edellisestä havainnosta täällä ja täällä.) LIGOn lehdistötiedote löytyy täältä, ja tässä näkyy tietokoneiden raksuttama yleisen suhteellisuusteorian mukainen simulaatio siitä, miten aukot lähestyivät toisiaan ja sulautuivat.

Aalto kulki Maapallon läpi 4. tammikuuta 2017, kolme miljardia vuotta syntymänsä jälkeen. Havainto tehtiin noin kuukausi sen jälkeen, kun LIGO aloitti toisen havaintokautensa, oltuaan kymmenen kuukautta poissa toiminnasta päivitystä varten. Havaintokausi jatkuu kesän loppuun. LIGOn siirtyessä telakalle eurooppalaisen Virgo-havaintolaitteen odotetaan astuvan kehään, ja LIGO palaa seuraan ensi vuoden loppupuolella paremmalla herkkyydellä.

Uusi törmäys ei paljastanut mitään yllättävää. Mustien aukkojen massat olivat noin 20 ja 30 Auringon massaa, edellisten havaittujen mustien aukkojen massojen välissä. Lehdistötiedotteen mukaan havaintojen perusteella toinen aukoista on saattanut pyöriä eri suuntaan kuin pari kokonaisuutena. Tehty havainto ei kuitenkaan rajoita pyörimistä niin paljon, että asiasta voisi sanoa paljoa. Mustien aukkojen pyörimissuunnista voidaan päätellä se, ovatko ne syntyneet eristyksissä vai osana tähtiryppään kehitystä, mutta täytyy odottaa lisää havaintoja, että asiaan saadaan selkoa.

LIGOn havainnot ovat ainutlaatuinen ikkuna mustien aukkojen tapahtumahorisontin äärimmäisille tienoille. Nyt kun kasassa on kolme havaintoa, LIGO saa entistä tarkempia rajoituksia sille kuinka paljon mustien aukkojen käytös voi erota yleisestä suhteellisuusteoriasta, mutta mitään poikkeamia ei ole näkynyt.

LIGO-ryhmä tutki myös, ensimmäistä kertaa historiassa, gravitaatioaaltojen nopeuden riippuvuutta aallonpituudesta. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatioaallot, kuten valo tyhjiössä, matkaavat valonnopeudella aallonpituudesta riippumatta. Tämäkin testi antoi odotetun tuloksen: poikkeamat valonnopeudesta ovat korkeintaan suuruusluokkaa 10^(-19), eli alle miljardisosan miljardisosan.

Uusien detektorien valmistuttua gravitaatioaaltohavainnoista tulee kenties viikoittaista rutiinia, mutta nyt jokainen on innostava tapaus. LIGO-ryhmän arvion mukaan mustien aukkojen törmäyksiä odottaisi nykyisellä herkkyydellä näkyvän kenties kymmenen vuodessa, joten loppuvuodesta saatetaan ilmoittaa lisää ilon aiheita. Mielenkiinnolla odotetaan myös ensimmäistä havaintoa neutronitähtien, tai mustan aukon ja neutronitähden, törmäyksestä.

---

Tieteilijän etiikasta

26.5.2017 klo 15.28, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Pidin tänään Helsingin yliopiston filosofisen tiedekunnan promootion tunnustuksettomassa tilaisuudessa puheen. Se meni jokseenkin näin.

Minua pyydettiin lausumaan muutama sana etiikasta. Helsingin yliopiston eettisten ohjeiden mukaan hyvän tieteellisen käytännön lähtökohtana ovat ”tiedeyhteisön tunnustamat toimintatavat”.

Onkin tavallista, että tieteen etiikan pohdinta rajoitetaan siihen, miten toimitaan tiedeyhteisön hyväksymällä tavalla. Tiedeyhteisön normien tarkoituksena on varmistaa, että kukin tekee tiedettä oikein.

On kuitenkin olemassa myös laajempi eettinen kysymys: tekeekö tieteellä oikein, tekeekö tieteellisellä koulutuksella oikein. Tämä kysymys on oleellinen myös niille, jotka eivät jatka tiedeyhteisössä, vaan hyödyntävät tieteellistä osaamistaan muualla.

Te promovoidut tiedätte, millaista on työskennellä epävarmuuden kanssa; millaista on selvittää pitääkö jokin asia paikkansa; millaista on huomata, että onkin väärässä; millaista on joutua myöntämään olevansa väärässä; te tiedätte mitä tarkoittaa asioiden tarkasteleminen analyyttisesti ja kriittisesti.

Nämä taidot, jotka te olette hankkineet vuosien työllä, ovat yhteiskunnalle tärkeitä. Ilman teidänlaistenne ihmisten kykyä ongelmanratkaisuun ja analyyttiseen ajatteluun nykyaikainen, teknologinen, sosiaalisesti monimuotoinen yhteiskunta ei voisi toimia eikä kehittyä.

Tämä tarkoittaa myös sitä, että teillä on vastuuta. Tieteilijän opinnot opettavat paljon, miten ajattelun työkaluja käytetään, mutta vähän sitä, mihin niitä pitäisi käyttää ja mihin niitä ei pitäisi käyttää.

Yhdysvaltojen suurin matemaatikkojen työnantaja on NSA. Yhdessä CIA:n ja Yhdysvaltojen armeijan kanssa se työllistää kymmeniä tuhansia ihmisiä tiedustelun ja tarkkailun parissa, monet heistä korkeasti koulutettuja. Onko sattumaa, että näistä kymmenistä tuhansista niillä kahdella, jotka ovat eniten tuoneet julki näiden tahojen väärinkäytöksiä ja rikoksia -viime viikolla vapautuneella Chelsea Manningilla ja maanpaossa olevalla Edward Snowdenilla– ei kummallakaan ollut korkeakoulututkintoa?

Otetaan laajempi esimerkki, joka ei liity henkilökohtaiseen toimintaan. Yhdysvaltalaisten tuki sille, että heidän hallituksensa tappaa ihmisiä miehittämättömillä lentokoneilla ympäri maailmaa korreloi positiivisesti koulutustason kanssa. Samoin tuki Israelin pommitukselle Gazassa kesällä 2014. Mitä korkeammin koulutettu ihminen on, sitä todennäköisemmin hän kannattaa -ainakin näissä tapauksissa- laitonta ja tuhoisaa väkivaltaa, josta on vastuussa valtio, johon identifioidutaan kollektiivisesti.

Mainitsen nämä esimerkit havainnollistaakseni sitä, että analyyttisen ajattelun taidosta ei ole moraalisten arvioiden tekemisessä mitään hyötyä, jos ajattelua ei osaa suunnata niiden tekemiseen. Arvioinnin kohdistaminen yhteisön normeihin edellyttää sitä, että pystyy katsomaan asioita yhteisön ulkopuolelta.

Tieteellisissä opinnoissa tätä ei juuri opi. Päinvastoin, niiden myötä oppii ajattelun työkalujen lisäksi sen, miten toimitaan yhteisön osana, sen sääntöjen mukaisesti.

On sanottava, että ilman yhteisön toimintaan ja normeihin sitoutumista nykyaikainen yhteiskunta ei olisi mahdollinen. Ihmisten kyky asettua osaksi isoa kokonaisuutta mahdollistaa kaikki saavutukset yli sen, mihin pieni ihmisjoukko kykenee, sanalla sanoen sivilisaation.

Mutta inhimillinen sivilisaatio vaatii myös yhteisön toiminnan yksilöllistä arvioimista.

Esimerkki Suomesta: Nokia myi vuonna 2008 Iraniin teknologiaa matkaviestinten tarkkailuun. Seuraavana vuonna Iranin hallinto käytti sitä demokratiapyrkimysten väkivaltaiseen tukahduttamiseen. Nokia myönsi, että sen ”olisi pitänyt paremmin ymmärtää mahdolliset seuraukset ihmisoikeuksille Iranissa”.

Nokian projektissa on varmasti ollut mukana useita korkeasti koulutettuja ammattilaisia. Ja ilmeisesti kukaan heistä ei tullut ajatelleeksi, että viestinnän tarkkailuun tarkoitetun teknologian myyminen viranomaisille, jotka järjestelmällisesti loukkaavat ihmisoikeuksia, johtaisi siihen, että nämä käyttävät sitä viestinnän tarkkailemiseen ihmisoikeusloukkausten avittamiseksi. Tai jos tuli, ei pitänyt sitä ongelmana. Tai jos piti, ei tuonut asiaa esille. Tai jos toi, ei ryhtynyt toimiin. Kukaan nokialaisista tuskin halusi, että ihmisiä kidutetaan koska he tavoittelevat demokratiaa, mutta kukaan ei puhaltanut peliä poikki. Dokumentit aiheesta tosin myöhemmin vuodettiin, joten me tiedämme asian yksityiskohdista.

Toinen Nokiaan liittyvä tapaus. Eräässä puheessa mainitsin siitä, miten moraalitonta on se, että puhelintemme raaka-aineita tulee maista, joissa näiden raaka-aineiden kontrolloimisesta käydään sotia. Puheen jälkeen kaksi henkilöä tuli luokseni ja kertoi olevansa Nokian työntekijöitä. He kiittivät minua siitä, että toin tätä tärkeää asiaa esille ja kertoivat, miten he ovat vaikuttaneet yrityksen sisällä siihen, että raaka-aineiden alkuperään saadaan selvyyttä ja osallisuutta ihmisoikeusloukkauksiin voidaan pienentää.

Voisin mainita yhteisön moraalisia ongelmia myös tiedeyhteisöstä. Mainitsin nämä kaksi esimerkkiä havainnollistaakseni sitä, että kun todella kohtaa eettisiä ongelmia, ei yleensä ole selvää, mikä on oikea ratkaisu. Milloin pitäisi toimia yhteisön sisällä yrittäen muuttaa sen toimintatapoja? Milloin pitäisi lopettaa osallisuus ja viedä asia yhteisön ulkopuolelle? Milloin ollaan siinä pisteessä, että pitäisi sabotoida yhteisön toimintaa?

Tällaisiin kysymyksiin ei ole valmiita vastauksia, aivan kuten ei ole yhtä tieteellistä metodia, jota seuraamalla aina löytäisi oikean ratkaisun tutkimusongelmiin. Mutta teillä, jotka olette oppineet tieteellisen ajattelun välineet, on hyvät valmiudet arvioida tällaisia monimutkaisia kysymyksiä ja tehdä johtopäätöksiä.

Tämä edellyttää sen tunnistamista, että on tarpeen kriittisesti arvioida ei vain sitä, miten yhteisön käytäntöjä noudatetaan, vaan sitä, millaisia nämä käytännöt ovat. Vain tällaisesta ulkopuolisesta  näkökulmasta voi kammeta analyyttisen ymmärryksen inhimillisyyden palvelukseen, niin että toiminta ei noudata vain tiedeyhteisön etiikkaa, vaan myös tieteilijän etiikkaa.

Muotoja muodottomasta, yksinkertaista monimutkaisesta

8.5.2017 klo 20.44, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Galleria Duetossa Helsingissä aukesi viime torstaina Metta Savolaisen näyttely Solar Eclipse. Sen kahdesta huoneesta yksi on omistettu hiukkasfysiikalle ja toinen kosmologialle. Savolainen opiskeli Helsingin yliopistossa 1980-luvulla fysiikkaa viisi vuotta ennen siirtymistään kuvataiteen pariin.

Hiukkasfysiikan teoksissa käydään läpi Standardimallin hiukkaset yksi kerrallaan: kuusi kvarkkia, kuusi leptonia, W- ja Z-bosoni, fotoni ja gluoni sekä Higgsin hiukkanen, josta on peräti neljä muotokuvaa. Huoneeseen kävellessä on kuin astuisi sisään hiukkasfysiikan oppikirjaan. Sadoista teoreetikkojen ehdottamista hiukkasista (joista ei ole toistaiseksi kokeissa näkynyt jälkeäkään) on mukaan päässyt X-bosoni, joka on 80-luvulla suosittujen suurten yhtenäisteorioiden kalustoa.

Alkeishiukkaset eivät kuulu meille tutun klassisen fysiikan piiriin: niillä ei ole muotoa, väriä eikä koostumusta. Savolaisen abstrakti ja symbolinen ilmaisu sopii hyvin arkitodellisuuden tuonpuoleiseen maailmaan, jota hallitsee samanaikainen erillisyys ja kytkeytyneisyys, äärimmäinen pelkistäminen ja yksinkertaisista osista kasautuva monimutkaisuus.

Hiukkaset on kuvattu ympyröinä neliön sisällä, kuin erillisinä muusta maailmasta mutta luonteeltaan siitä leikattuina. Joissakin töissä on käytetty rinnakkaisia tai vastakkaisia muotoja ja värejä. Siinä missä fotoni aaltoilee vaaleana sivusuunnassa horisontaalisten tummien viivojen taustalla, gluonin tummien vertikaalisten viivojen ympäristönä on vaalea aaltoliike alhaalta ylös. Tämä on visuaalisesti kaunista, mutta useimmiten nämä visuaaliset temput eivät liity hiukkasten ominaisuuksiin. Esimerkiksi fotonin ja gluonin välillä ei oikeasti ole mitään vastakkaisuutta eikä niitä saa toisistaan mitään vaihtamalla. Edellinen välittää sähkömagneettista vuorovaikutusta ja jälkimmäinen värivuorovaikutusta, joilla ei ole mitään tekemistä keskenään.

Olisin toivonut kuvien olevan hiukkasten todellisten ominaisuuksien (varausten, massojen, spinien ja vuorovaikutusten) esityksiä, nyt hiukkaset määrittäviä tekijöitä on käytetty vain inspiraationa.

Massiivisten bosonien (W, Z, X, Higgs) kuvaelementtinä on käytetty kirjaimia W, Z, X ja H, jotka ovat inhimillisen historian kulttuurillisia sattumia, eivätkä kerro meistä riippumattomasta maailmasta mitään. W-, Z- ja X-bosonien kuvissa on muita hiukkasia läheisempi suhde hiukkasen ympyrän ja taustan välillä, mikä tavoittaa jotain niiden lyhyestä eliniästä ja siitä, miten niiden rooli on välittää ohimenevästi vuorovaikutuksia. Mutta miksi Higgs on osa tätä sarjaa? Sen elinikä on toki lyhyt, mutta ominaisuuksiltaan ja osuudeltaan se on tyystin erilainen kuin W, Z ja X. Jäin myös kaipaamaan yhteyttä fotoneihin ja gluoneihin. Ne ovat ikuisia ja siksi erilaisia kuin W, Z ja X, mutta niiden rooli on hyvin samanlainen. W ja Z välittävät heikkoa vuorovaikutusta, X spekulatiivista yhtenäisvuorovaikutusta. Oleellisesti Z on vain raskas fotoni, ja W siitä vähän sähkövarauksen puoleen kallellaan. On sääli, että bosonit on eroteltu kahteen ryhmään, joiden välillä ei ole dialogia.

Hiukkaspotreteista pidin eniten elektronista, joka näyttää samaan aikaan hajaantuneelta ja keskittyneeltä, sekavalta ja järjestäytyneeltä. Yhdessä myonin ja taun kanssa se muodostaa eheän sisarussarjan. Niitä vastaavista neutriinoista oli kustakin yhdessä kaksi kuvaa, joissa ympyrän ja taustan ilme on vastakkainen. Tämä on kaunis esitys neutriinoiden oskillaatioista, mutta jää vajaaksi maalista. Neutriinot eivät sekoitu yksikseen, vaan keskenään, ja oikeastaan niiden luonnetta kuvaisi parhaiten kolme kertaa kolme kuvaa, missä kukin liittyy ominaisuuksiltaan jokaiseen muuhun, jotkut enemmän ja toiset vähemmän.

Kvarkit olivat puhtaan kuvallisesti hiukkasista kenties onnistuneimpia, ja kuvien kahtia jakautuneisuus tuo mieleen kvarkkien kaksi spin-tilaa. (Samanlainen rakenne olisi ollut poikaa leptoneillekin.) Niiden ripustus havainnollistaa kvarkkien (ja leptonien) kolmea perhettä ja jakoa pareihin, joista toinen osapuoli on ylhäällä ja toinen alhaalla. Kuten neutriinojen kohdalla, tässä on tosin jääty puolitiehen; ripustus rikkoo rakenteen sijoittamalla top (tai totuus)-kvarkin alas ja bottom (tai kauneus)-kvarkin ylös. Kuvien ripustamisella sivusuunnassa olisi voinut viestiä perheiden massaeroista, mutta nyt tuntuu siltä, että yhden parin sijoittaminen kauemmas muista ei ole harkittua.

Kosmologia-osuudessa on esillä Aurinkokunnan ilmiöitä ja lintuja, fysiikan kannalta siis lähialueen tähtitiedettä. Nämä kuvat eivät ole sidottuja silmän saavuttamattomiin ilmiöihin: niiden ei tarvitse kehittää muotoa muodottomuudelle, vaan tehdä konkreettisesta abstraktia, yksinkertaistaa monimuotoisuutta. Ilmiöt eivät muodosta samanlaista tarkkaan rajattua kokonaisuutta kuin hiukkaset, mukaan on valittu tunnelmallisia kohtauksia Auringon, Kuun ja lintujen elämästä.

Lempiteokseni oli Lunar Eclipse, jossa päällekkäiset taivaankappaleiden ympyrät kohtaavat, ja sekä eroaminen että yhtyminen jäävät näytettäväksi valittujen hetkien ulkopuolelle. Toisiaan katsovat ja omissa ympyröissään alkeishiukkasten arvokkuudella peilaavat Puutarhan linnut ovat viehättävä symmetrian sovellus lähes inhimilliseen maailmaan.

Näyttely on auki 21.5., ensi viikon loppuun, asti.

---

Ei edes väärästä jalkaväkeen ja juoksuhautoihin

29.4.2017 klo 14.35, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuessani tiedemarssilla tieteen popularisoinnista ja uutisoinnista minua pyydettiin kirjoittamaan blogiini siitä, mitä tiedeblogeja itse luen. On vain kaksi alan blogia, joista luen kaikki merkinnät.

Ensimmäinen on fyysikko Peter Woitin Not Even Wrong. Nimi viittaa Wolfgang Paulin nimiin laitettuun lausuntoon joistakin fysiikan ideoista, jotka ovat niin epämääräisesti muotoiltuja, että niiden ei voi sanoa olevan edes väärin. Woit aloitti arvostelemalla säieteoriaa, ja hänellä on aiheesta samanniminen kirja. Woit on eräs hiukkasfysiikan yhteisön ulkopuolisille näkyvimpiä säieteorian arvostelijoita, ja hän on vaikuttanut myös siihen, miten aiheeseen yhteisön sisällä suhtaudutaan. Monet tunnetut fyysikot kommentoivat blogissa, ja kommentit ovat osa sen viehätystä. Woit on laajentanut aihevalikoimaansa, ja hänen bloginsa on yksi parhaita paikkoja hiukkasfysiikan uutisten ja huhujen seuraamiseen. Kosmologian suhteen Woit ei ole aivan yhtä terävä, mutta tärkeät uutiset aiheesta kyllä hänen blogistaan löytää. Hän kirjoittaa myös matematiikan tutkimuksesta tavalla, joka on minusta usein kiinnostava, vaikka en siitä usein paljoa ymmärräkään. Scientific Americanissa on juuri ilmestynyt Woitin haastattelu otsikolla Why String Theory is Still Not Even Wrong, josta saa käsityksen hänen näkemyksistään.

Toinen lempitiedeblogini on Jesterin eli hiukkasfyysikko Adam Falkowskin Résonaances. Falkowski aloitti blogin lääkkeenä masennukseen, ja nimimerkin tarkoituksena oli kenties suojata häntä ammatillisilta ongelmilta ja eristää kriittisen ja toisinaan mauttoman huumorin seurauksilta. Anonymiteetti ei kuitenkaan kestänyt kauaa. Olimme samaan aikaan postdoc-tutkijoita CERNissä, ja oli kuitenkin helppo huomata, kuka fenomenologisista (eli teorioiden ja havaintojen välissä olevista) hiukkasfysiikoista teki tarkkaavaisena muistiinpanoja puheista, joista myöhemmin tuli selostus Resonaancesiin. Resonaances keskittyy uusien havaintojen läpikäymiseen, erityisesti hiukkasfysiikassa ja sen setvimiseen, mitä ne kertovat eri teorioiden terveydentilasta. Falkowski kirjoittaa kiinnostavasti myös kosmologisista havainnoista, mutta aivan samalla asiantuntemuksella kuin hiukkasfysiikasta. Blogin pääasiallinen puute on se, että kirjoituksia ei ilmesty useammin, mutta jokainen niistä on kiinnostava. Falkowski ei ole kirjoittanut sitten syyskuun, toivottavasti Résonaances ei ole kuollut.

Luen silloin tällöin Tommaso Dorigon blogia A Quantum Diaries Survivor, ja harvoin petyn. Dorigo on kokeellinen hiukkasfyysikko, joka on mukana CERNin CMS-koeryhmässä, ja hän kirjoittaa poikkeuksellisen avoimesti kokeellisen fysiikan tekemisestä. Hän menee myös teknisiin yksityiskohtiin silloin kun se on tarpeen. Dorigon asenne mahdollisiin löytöihin on aina avoin mutta epäilevä. Tommasolta ilmestyi aiheesta viime vuonna kirja Anomaly! Collider physics and the quest for new phenomena at Fermilab. Tässä ote kirjasta, josta näkee hänen tyylinsä.

Toinen toisinaan lukemani blogi on Matt Strasslerin Of Particular Significance. Strassler on hiukkasfenomenologi kuten Falkowski, mutta kirjoittaa joskus yleisempiäkin selityksiä, esimerkiksi neutronien stabiiliudesta ja mustien aukkojen informaatioparadoksista.

Joskus luen Sabine Hossenfelderin blogia Backreaction. Hossenfelder tutkii kvanttigravitaation fenomenologiaa, ja kirjoittaa myös kiinnostavan kriittisesti tieteen popularisoinnista ja uutisoinnista sekä tiedeyhteisöstä. Blogissa on kirjoituksia myös tieteeseen liittymättömistä yhteiskunnallisista ja muista asioista, joista luen mieluummin niihin asioihin perehtyneiltä, joten en seuraa Backreactionia säännöllisesti, vaan luen sitä kun käsittelyssä on erityisen kiinnostava aihe, kuten myös Strasslerin blogia.

Toisinaan on tullut luettua (ja olisi kannattanut lukea useammin) yhteistyökumppaneideni Shaun Hotchkissin ja Sesh Nadathurin blogeja Blank on the Map ja The Trenches of Discovery. He ovat kosmologeja ja kirjoittavat uusista havainnoista ja niiden tulkinnasta yksityiskohtaisesti ja selkeästi. (Jälkimmäinen on itse asiassa yhteisblogi biokemistin ja taiteentutkijan kanssa, mutta olen lukenut siitä vain Shaunin kirjoituksia.) Kumpikin blogi on ollut yli vuoden vaiti, enkä tiedä niiden jatkosta.

Mainittakoon vielä suomenkielinen Akatemian jalkaväki, jossa jatko-opiskelijat ja nuoret postdoc-tutkijat kirjoittavat tieteen tekemisen arjesta, tutkimusaiheen valitsemisesta välipalojen ongelmaan. Olen lukenut siitä lähinnä kosmologi Tommi Tenkasen tiiviitä kirjoituksia, joissa hän avaa tiedeyhteisön toimintaa ja kosmologian tutkimusta.

---

Kaikenlaisia kertomuksia kosmologiasta

23.4.2017 klo 22.29, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuin eilen tiedemarssilla tieteen popularisoinnista ja uutisoinnista. Puhe oli jokseenkin seuraavanlainen. (Minulta kysyttiin puheen jälkeen, mitä tiedeblogeja itse luen, kirjoitan niistä seuraavassa merkinnässä ensi viikolla.)

Kommentoin ensin minulle esitettyä kysymystä siitä, miksi tulin mukaan marssille. Tiedemarssin lähtökohta on poliittinen. Sitä alettiin Yhdysvalloissa järjestää vastauksena siihen, että valtaan noussut Donald Trumpin hallitus on ennennäkemättömän vihamielinen tieteelle. Suomessa meidän on syytä ensisijaisesti keskittyä siihen, mitä täällä tapahtuu. Suomessa suurin uhka tieteelle on nykyinen hallitus, joka romuttaa tieteen tekemisen mahdollisuuksia. Oli irvokasta nähdä tiedemarssilla hallituspuolue Kokoomuksen kansanedustaja Sanna Lauslahti pitämässä tieteilijöille puhetta tieteen tärkeydestä.  Mikäli Lauslahti haluaa parantaa tieteen asemaa Suomessa, oikea osoite puheille on oma puolue, ei tieteentekijät.

Aiheenani on tieteen popularisointi ja uutisoiminen. Käsittelen enimmäkseen tilannetta kosmologiassa, jonka tunnen, vaikka lipsunkin käyttämään sanaa ”tiede” yleisemmin. Yleisön vastuulle jääköön arvioida, missä määrin kommenttini koskevat muitakin aloja.

Tieteellinen tutkimus kustannetaan enimmäkseen verovaroista. Joidenkin aiheiden, vaikkapa puolijohteiden, tutkimuksella on odotettavissa teknologisia sovelluksia, ainakin välillisesti. Toisaalta sellaisilla aloilla, joissa tutkimuskohde on lähempänä ihmisten arkikokemusta, vaikkapa historiassa, muutkin kuin asiantuntijat voivat suoraan tutustua tuloksiin, ja ero tutkimuksen ja popularisoinnin välillä on pienempi kuin luonnontieteissä. Molemmissa tapauksissa suuri yleisö saa siis rahoilleen vastinetta.

Kosmologiassa, samoin kuin hiukkasfysiikassa, on toisin. Aloilla ei nykyään ole mitään nähtävissä olevia sovelluksia. Tämä ei tarkoita sitä, etteivätkö ne saattaisi avata ovia uuteen teknologiaan tavoilla, joita emme osaa vielä kuvitella. Kun tutkitaan perustavanlaatuisia luonnonlakeja, on mahdotonta sanoa, mitä löytyy ja miten sitä voi käyttää hyödyksi. Lähes kaiken nykyteknologian pohjana oleva kvanttimekaniikka on tästä oiva esimerkki. Mutta olisi epärehellistä luvata, että tällaisia sovelluksia varmasti tulee.

Niinpä kosmologian ja hiukkasfysiikan saralla tieteen popularisointi on erityisen tärkeää, koska se on ainoa, mitä suuri yleisö tutkimuksesta varmasti kostuu. Kaikkien tutkijoiden ei tarvitse osallistua, mutta yhteisöllä kokonaisuutena on velvollisuus kertoa mitä se on retkillään löytänyt.

Kosmologian popularisoinnista on ensinnäkin se hyöty, että ihmiset saavat tietää, mitä maailmankaikkeudesta on saatu selville. Sillä on itseisarvoa, että tietää, millainen todellisuus on. Lisäksi maailman hahmottaminen uudella ja arjesta vieraalla tavalla tuottaa tunne-elämyksiä. Science fictionin yhteydessä kuvataan perspektiivin laajentamista totuttujen maisemien ulkopuolelle termillä ”sense of wonder”, ihmetyksen tuntu, ja sen voi saavuttaa myös tieteen popularisoinnista. Mainittakoon vielä erikseen, kuinka arkikäsitysten korjaaminen innoittaa taidetta. Science fictionin kohdalla tämä on ilmeistä, mutta myös muun genren kirjallisuus, kuvataide ja teatteri saanut inspiraatiota tieteen popularisoinnista.

Popularisoinnista on myös se hyöty, että suuri yleisö hahmottaa miten tiedettä tehdään. Voi myös sanoa, että he hahmottavat mitä tiede on, koska tieteessä ei ole kyse tietyistä johtopäätöksistä, vaan tavasta jolla ne saavutetaan. Tieteellinen tutkimus on mainio esimerkki siitä, miten selvitetään rationaalisesti, miten joku asia on, ja mitä tarkoittaa se, että asioiden tiedetään olevan tietyllä tavalla. Tämän asian parempi hahmottaminen on hyödyksi myös tiedeyhteisön ulkopuolisille.

Popularisointi tekee tiedeyhteisön tutuksi ja selventää, millaista on tieteily ja tieteilijät. Popularisoinnin kohteeksi sopiikin tulosten lisäksi myös tiedeyhteisön toiminta, tieteen filosofia, tieteen sovellusten poliittinen merkitys, yhteiskunnallisen politiikan vaikutus tieteeseen ja tieteenteon arki.

Erityisen tärkeää on korjata lasten ja nuorten käsitys tieteen tekemisestä. Fysiikassa on iso miesenemmistö, varsinkin kosmologiassa ja hiukkasfysiikassa. Tähän on useita syitä , mukaan lukien paikkojen ja apurahoja jakavien tiedostetut ja tiedostamattomat ennakkoluulot. Mutta iso osa vinoumasta syntyy siitä, että fysiikan opintoja aloittaa selvästi vähemmän naisia kuin miehiä. Tähän vaikuttaa aiheettoman sukupuolittuneet käsitykset fysiikasta, mitä popularisointi voi muuttaa.

Yksi tiedeyhteisön popularisoinnilla tavoittelema hyöty on lisäksi se, että halutaan antaa tieteestä, erityisesti omasta tieteenalasta, hyvä vaikutelma rahoituspäätöksiä tekeville, jotka usein eivät ole tiedeyhteisön jäseniä ja jotka muodostavat käsityksensä osittain populaarien esitysten ja uutisten pohjalta.

Popularisoinnilla on rajansa. Kosmologian (ja monien muiden luonnontieteiden) kohdalla se ei tee suurelle yleisölle mahdolliseksi arvioida tieteellisiä tutkimuksia kriittisesti. Popularisointi ei ole tieteellistä viestintää, vaan tarinankerrontaa tieteen tiimoilta. Tutkimuksissa käytetyn matemaattisen kielen ja hienostuneiden menetelmien ymmärtäminen vaatii vuosien perehtymistä. Populaarien tekstien lukeminen ei valmista tieteentekoon osallistumiseen.

Popularisointi ei myöskään ole tieteellistä dialogia. Poikkitieteellinen tutkimus on tärkeää, ja usein ideat raja-aidan takaa auttavat löytämään hedelmällisemmän suunnan. Esimerkiksi hiukkasfysiikan Higgsin mekanismi hahmotettiin ensin kiinteän olomuodon fysiikassa. Se kuitenkin edellyttää tutkimuksen yksityiskohtien tuntemista, mikä vaatii tieteellistä viestintää, ei popularisointia.

Popularisointi saattaa kuitenkin auttaa suurta yleisöä arvioimaan kriittisesti muuta popularisointia tai ainakin tieteellistä uutisointia. Tiedeuutiset ovatkin oma lajinsa. Tiede on vaikea aihe uutisoida. Se on laaja alue, ja uusi tutkimus liikkuu tunnetun epävarmalla rajalla. Toimittajat eivät voi olla kaikkien alojen asiantuntijoita, eivätkä he välttämättä ole minkään alan asiantuntijoita. Usein tiedotusvälineet haluavat kertoa uusista asioista (mihin jo sanat ”uutisointi” ja ”uutinen” viittaavat), missä on tieteen kohdalla kaksi ongelmaa.

Ensinnäkin, jos ei tiedä missä on, niin tieto siitä mihin liikutaan on merkityksetön. Jos tutkimusta ei aseteta oikeaan viitekehykseen, niin on mahdotonta ymmärtää uusien tulosten merkitystä. Esimerkki tiedeuutisten ulkopuolelta saattaa havainnollistaa asiaa. Jos kirjoittaisi uutisen vaihtoehdosta D’Hondtin suhteelliselle ääntenlaskutavalle, mutta ei kertoisi mikä on D’Hondtin tapa tai mitä on äänestäminen yleisölle, jolla ei ole tietoa kummastakaan, niin olisi mahdotonta ymmärtää asian merkitystä ja kytköksiä.

Toinen ongelma on se, että suuri osa uudesta tutkimuksesta on väärin. Kun liikutaan tuntemattoman rajamailla, kukaan ei varmasti tiedä, mikä on oikea suunta, ja monet retket menevät harhaan. Tämä on väistämätön osa tutkimusta, mutta sen välittäminen oikein on hankalaa, jos keskitytään vain uusiin löytöihin (tai sellaisina markkinoituihin: usein ne eivät ole sen enempää uusia kuin löytöjä) kokonaiskuvan kustannuksella.

Huomattava osa tiedeuutisista on käsittämättömiä: niistä on vaikea saada selville mitä on tehty ja mikä sen merkitys on. Joskus uutisten perusteella tiede vaikuttaa läpitunkemattomalta, niin että on mahdotonta edes yleistajuisesti hahmottaa, mistä on kysymys. Tämä koskee usein jopa alan tutkijoita. Tutkimuksen tuloksia on kuitenkin mahdollista selittää karkeasti siten, että asiasta saa karkean mutta ymmärrettävän kuvan. Yksinkertaistamiseen tosin liittyy toinen vaara: ymmärryksen illuusio. Jos vedetään liikaa mutkia suoriksi, lukija voi virheellisesti kuvitella ymmärtäneensä asian, sen sijaan että hahmottaisi käsityksensä rajat.

Joskus toimittajat valittavat, että tieteilijöiltä ei saa yksiselitteisiä kannanottoja, vaan he ovat täynnä varauksia. Epävarmuus ei kuitenkaan ole tieteen kirjoittamisen este, se on keskeinen osa tiedettä. Tieteessä on kyse epävarmuuden asteiden kartoittamisesta. Ilman tätä viitekehystä on mahdotonta välittää rehellistä kuvaa tieteestä.

Yksi tiedeuutisoinnin ongelma on se, että toimittajat tuntuvat olevan kovin herkkäuskoisia tieteilijöiden suhteen. Tutkijoiden lehdistötiedotteisiin suhtaudutaan kuin ne olisivat kiistattomasti totta, tai ainakin vilpittömiä yrityksiä kuvata tulokset mahdollisimman asianmukaisesti. Usein tämä ei pidä paikkaansa. (Esimerkkejä löytyy Peter Woitin blogista Not Even Wrong tagilla ”This Week’s Hype”.)

Vain muut alan tieteilijät voivat arvioida tiedotteiden paikkansapitävyyttä ja laittaa ne oikeaan kehykseen. Vakiintuneiden asioiden kohdalla tutkijoiden suhtautuminen on jokseenkin yksimielinen, mutta uusista askelista voi olla erittäin ristiriitaisia näkemyksiä, varsinkin jos kyse on teoreettisesta tutkimuksesta eikä havainnoista. Uusien tulosten asettaminen kohdalleen tutkimuksen kentälle on tämän takia ulkopuolisille vaikeaa, mutta tämä on erottamaton osa tiedettä.

Tiedeuutisoinnin ja popularisoinnin tilannetta on parantanut merkittävästi internet, joka mahdollistaa suoran viestinnän ja vuorovaikutuksen tieteilijöiden ja suuren yleisön välillä. Blogien ja muiden kaksisuuntaisen välittömän joukkoviestinnän välineiden avulla tieteilijät voivat kirjoittaa tieteestä ilman portinvartijoita ja välikäsiä. Tämän johdosta aihevalinnat heijastavat suoremmin tiedeyhteisön näkemyksiä siitä, mikä on kertomisen arvoista, ja lukijat saavat suoremman näkymän tieteen tekemiseen. Aiheita voi myös käsitellä niiden vaatimalla laajuudella – tilaa on rajattomasti, joten tämä saattaa tarkoittaa laajaa käsittelyä, mutta yhtä lailla sitä, että epäoleelliset asiat voi sivuuttaa.

Internet mahdollistaa myös sen, että suuri yleisö voi kysyä asioista suoraan tutkijoilta. Lisäksi muiden tutkijoiden kommentit blogeissa ja vastaavilla foorumeilla valaisevat ulkopuoliselle sitä, miten tutkimus tiedeyhteisössä nähdään välittömyydellä, jota on vaikea tavoittaa ulkopuolisten uutisissa. Blogit hämärtävätkin popularisoinnin ja uutisoinnin rajaa, ja joissain tapauksissa myös populaarin esityksen ja tieteellisen keskustelun rajaa.

---

Kehykset ja marssi

11.4.2017 klo 17.06, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehden Rihvelin 1/2017 sivuilla 6-7 on juttuni Inhimillisen kokemuksen kehykset fysiikan opettamisesta ja merkityksestä.

Puhun Tiedemarssilla lauantaina 22.4. tieteen popularisoinnista ja uutisoinnista otsikolla Kaikenlaisia kertomuksia kosmologiasta. Marssi alkaa kello 12, päivitän puheen kellonajan tänne kun se selviää.

Päivitys (20/02/17): Puheeni on kello 13.30 Helsingin yliopiston päärakennuksen salissa 1.

Kaikki tai ei mitään

30.3.2017 klo 00.48, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tässä viimeinen poiminta kurssilta Fysiikkaa runoilijoille. Aiemmissa osissa kirjoitin klassisen mekaniikan paljastamasta uudesta kauneuden muodosta, suppeasta suhteellisuusteoriasta ja vääristä ideoista, yleisestä suhteellisuusteoriasta ja suuresta järjettömyydestä, kvanttimekaniikasta ja ymmärryksen rajoista, kvanttikenttäteorian määräyksistä aineelle ja vuorovaikutuksille sekä selitysten ketjun päättymisestä kosmologiassa. Viimeinen aihe on kaiken teoria (luentomoniste löytyy täältä).

Nykyään on kaksi perustavanlaatuista fysiikan teoriaa: ainetta käsittelevä hiukkasfysiikan Standardimalli ja aika-avaruutta kuvaava yleinen suhteellisuusteoria. Eteenpäin voi mennä kolmella tavalla: laajentamalla Standardimallia uusilla hiukkasilla, vuorovaikutuksilla ja symmetrioilla; kehittämällä uusia gravitaatioteorioita; tai yhdistämällä hiukkasfysiikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa. Standardimallin laajennuksia on kehitetty lukuisia, suosituimpina supersymmetria, suuret yhtenäisteoriat ja tekniväri. Samoin uusia gravitaatioteorioita on tukuittain. Molemmilla suunnilla kaikki kokeet ovat toistaiseksi vain varmentaneet nykyisten teorioiden ennusteet.

Meneillään oleva vuosittainen Moriondin konferenssi, jossa esitellään LHC:n kokeellisia tuloksia, on tyypillinen tapaaminen: löytöjä ei ole ja uuden fysiikan rajat siirtyvät hiljalleen ylöspäin. Ehdotettujen uusien hiukkasten mahdolliset massat kasvavat ja vuorovaikutukset heikkenevät joskus kymmenen tai parikymmentä prosenttia kauemmas, toisinaan enemmän. Samoin käy gravitaatioteorioiden kohdalla.

Yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan yhdistämisen suhteen tilanne on erilainen: ei ole juuri ennusteita eikä kokeita, joilla testata niitä. (Merkittävänä poikkeuksena kosminen inflaatio, jossa kvanttigravitaatio on koskettanut havaintoja.) Standardimallin ja yleisen suhteellisuusteorian laajennuksia voi rakentaa vanhojen periaatteiden päälle. Gravitaation ja kvanttifysiikan yhdistäminen kaiken kattavaksi teoriaksi ei sen sijaan onnistune ilman tyystin uudenlaisia ideoita, ja siinä yleensä aloitetaan kaukana nykyisten havaintojen rajasta.

Eniten tutkittu ehdokas kaiken teoriaksi on säieteoria. Kvanttikenttäteoriassa aine koostuu aika-avaruuden täyttävistä kentistä, joiden pieniä häiriöitä hiukkaset ovat. Säieteoria hylkää idean kentistä ja ottaa askeleita taaksepäin. Kvanttimekaniikka on teoria, jossa otetaan klassisen fysiikan pistemäiset (eli nollaulotteiset) hiukkaset ja tehdään niistä epämääräisiä – voi sanoa, että hiukkaset kvantitetaan. Säieteorian lähtökohtana voi pitää yksinkertaista kysymystä: entä jos kvantitetaan sen sijaan yksiulotteisia kappaleita, eli säikeitä?

Säieteorian kehittäminen oli monivaiheinen prosessi, ja kesti vuosia hahmottaa, että se edes käsittelee säikeitä. Säieteorian poikkeavat lähtökohdat tekivät siitä aikanaan riskialttiin tutkimuskohteen. Kertoman mukaan jotkut sen keskeisistä kehittäjistä 60- ja 70-luvulla olivatkin lähellä jäädä ilman työpaikkaa, koska touhua pidettiin turhanpäiväisenä. Lopulta läpimurto oli kuitenkin paljon isompi kuin kukaan oli odottanut.

Yksinkertaisella kysymyksellä säikeiden kvantittamisesta on kauaskantoiset seuraukset. Osoittautuu, että säikeiden värähtelyt vastaavat sekä hiukkasia että gravitaatiota. On aina lupaavaa, kun teoria antaa ilman ylimääräisiä oletuksia ulos kaikenlaista tunnettua ja kaivattua. Säieteorialla on rikas matemaattinen rakenne, ja se pitää sisällään hiukkasfysiikan, gravitaation, supersymmetrian ja suuren yhtenäisteorian – lyhyesti sanottuna kaikkea mitä kaiken teoriaan kaivata saattaa.

Lisäksi, ensimmäisenä teoriana fysiikan historiassa, säieteoria ennustaa montako ulottuvuutta on olemassa. Valitettavasti säieteorian ennuste on kymmenen, ei neljä. Lisäksi säieteoriasta helposti saatava gravitaatioteoria on erilainen kuin yleinen suhteellisuusteoria. Tämä on hyvä piirre, koska se on ennuste, jolla teorian voi varmentaa tai hylätä. Ongelma on se, havainnot ovat jo hylänneet sen: poikkeamat yleisestä suhteellisuusteoriasta ovat liian suuria. Hiukkasfysiikan kanssa on samanlainen pulma: säieteoriasta saa helposti hiukkasfysiikkaa ulos, mutta havaintojen kanssa yhteensopivan hiukkasfysiikan saaminen on vaikeaa.

Naiivista ajateltuna jo ulottuvuuksien lukumäärän perusteella voisi hylätä säieteorian. Mutta havaintojen kanssa ristiriidassa olevaa teoriaa voi hylkäämisen sijaan muokata. Useimmiten fysiikassa ensimmäiset ideat eivät ole yksityiskohdiltaan oikein, ja vasta kehittelyn myötä löydetään oikea ratkaisu. Niinpä on oletettu, että säieteorian kuusi ylimääräistä ulottuvuutta ovat niin pieniä, että emme huomaa niiden olemassaoloa. Tyypillisesti niiden koko on pienempi suhteessa protoniin kuin mitä protoni on suhteessa meihin. (Mutta tästä on paljon erilaisia vaihtoehtoja.)

Näkemämme hiukkasfysiikka ja gravitaatio riippuu siitä, miten ylimääräiset ulottuvuudet on kääritty pieniksi. Toisin sanoen käärimällä ulottuvuudet eri tavoin voidaan säätää sitä, millaisia hiukkasia on ja miltä gravitaatio näyttää, ja niitä voidaan yrittää säätää vastaamaan havaintoja. Tämä on kuitenkin onnettomuus onnessa: ei tiedetä, mikä periaate määrää oikean käärimisen, ja vaihtoehtoja on tuhottoman paljon. (Ei ole selvää, miksi ylimääräisiä ulottuvuuksia olisi juuri kuusi.) Itse asiassa ei edes tiedetä, onko tällaista periaatetta tai ainoaa oikeaa käärimistä olemassa.

Monet säieteorian kärkinimistä ovat päätelleet, että koska he eivät ole keksineet ratkaisua, sellaista ei ole olemassa. Heidän mukaansa kaikki vaihtoehdot ovat mahdollisia, ja on olemassa multiversumi, jossa kaikki mahdolliset maailmankaikkeudet ovat todellisia. (Sanan ”todellinen” merkitys on tosin tässä yhteydessä hieman hämärä.) Ajatus on saanut tukea useilta tunnetuilta kosmologeilta tukea, mutta toiset pitävät sitä epätoivon tienä, joka ei johda mihinkään.

Joka tapauksessa säieteoria ei ainakaan tällä hetkellä ennusta mitään. Säieteorian kautta on kyllä löytynyt kiehtovia matemaattisia rakenteita, ja toistaiseksi siitä onkin kenties ollut enemmän hyötyä matematiikalle kuin fysiikalle. Säieteorian piirissä on myös kehitetty laskennallisia apuvälineitä, joita on sovellettu raskaiden ionien törmäysten ja kiinteän olomuodon ilmiöiden kuvailemiseen. (Näiden alojen tutkijoilla on poikkeavia mielipiteitä siitä, kuinka hyödyllisiä nämä menetelmät ovat olleet.)

On muitakin ehdokkaita kvanttigravitaatioteoriaksi ja kaiken teoriaksi, mutta yksikään ei ole luvannut niin paljon kuin säieteoria. Ellei jokin muu idea tee läpimurtoa tai ellei löydy jotain uutta ideaa siitä, miten säieteoria pitäisi muotoilla (etenkin mitä ylimääräisiin ulottuvuuksiin tulee), ei ole selvää kuvaako säieteoria todellisuutta, onko se teoria kaikesta vai ei mistään.

---

Ketjun viimeinen lenkki

14.3.2017 klo 22.28, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Poiminnoista kurssilta Fysiikkaa runoilijoille aiheista on vuorossa toiseksi viimeinen aihe, kosmologia. (Luentomoniste löytyy täältä.) Aiemmissa osissa on käsitelty klassista mekaniikkaa ja uudenlaista kauneuden muotoa, suppeaa suhteellisuusteoriaa ja vääriä ideoita, yleistä suhteellisuusteoriaa ja suurta järjettömyyttä, kvanttimekaniikkaa ja ymmärryksen rajoja, ja sitä miten kvanttikenttäteoriaa määrää aineen ja vuorovaikutukset.

Ennusteiden tekemiseen fysiikassa tarvitaan kaksi asiaa. Ensimmäinen on fysiikan lait, jotka kertovat, mistä osista tutkittava systeemi koostuu ja miten ne vuorovaikuttavat toistensa kanssa. Klassisessa mekaniikassa aine rakentuu pistemäisistä hiukkasista, jotka kohdistavat toisiinsa voimia. Suhteellisuusteoriassa ja kvanttifysiikassa osaset ja niiden vuorovaikutukset ovat monimutkaisempia, mutta periaate on sama. Fysiikan lait kertovat vain, millaiset tapahtumat ovat mahdollisia, ne eivät riitä kertomaan, mitä todella tapahtuu.

Yksikäsitteisten ennusteiden saamiseksi pitää tuntea myös systeemin alkutila. Kun tiedetään, millainen systeemi on nyt, niin lait kertovat, miten se kehittyy. Esimerkiksi Aurinkokunnan planeettojen tämänhetkisistä paikoista ja nopeuksista voi ennustaa niiden liikkeet. Kun mennään tarpeeksi kauas ajassa, pitää antaa alkuehdot sille, millaisesta kaasupilvestä planeetat tiivistyivät; sitä varten puolestaan pitää tietää, miten pöly oli muodostunut varhaisten tähtien räjähdyksissä, millä tapaa tähdet olivat syntyneet, mistä niiden siemenet olivat peräisin ja niin edelleen.

Esimerkki näyttää, miten kosmologiset kysymykset kehystävät kaiken fysiikan tutkimuksen, kun mennään tarpeeksi pitkälle. Se osoittaa myös, että kosmologiassa ei riitä fysiikan lakien tunteminen, vaan myös alkuehdot ovat tutkimuksen kohde. Asian voi ilmaista myös niin, että kosmologisten havaintojen avulla voidaan saada tietoa kaikkeuden alkutilanteesta.

Klassinen fysiikka ja suhteellisuusteoria ovat deterministisiä: kaikilla syillä on seuraus. Asiat ovat tietyllä tavalla nyt siksi, että ne olivat aiemmin tietyllä tavalla. Tällainen selitysten ketju ei koskaan pääty, aina tarvitaan aikaisempi syy.

Kvanttifysiikka on kuitenkin osoittanut, että maailmankaikkeus on epädeterministinen. (Asiassa tosin on sellainen epävarmuus, että kvanttifysiikkaa ei ymmärretä täysin.) Niinpä on seurauksia, joilla ei ole syitä. Kaiken näkemämme rakenteen siementen arvellaan syntyneen kvanttivärähtelyistä kosmisessa inflaatiossa ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana. (Ei tosin tiedetä, mitä oli ennen inflaatiota, vai oliko mitään.) Kvanttikenttäteorian lait ennustavat vain todennäköisyysjakauman näille pienille epätasaisuuksille, ja ainoastaan yksi vaihtoehto erilaisista mahdollisuuksista toteutuu. Koska kvanttifysiikka on epädeterminististä, mikään sääntö ei määrää sitä, mikä mahdollisuuksista valikoituu: kaikki rakenne syntyy sattumasta. Selitysten ketju saavuttaa loppunsa, tai pikemminkin alkunsa.