Kosmokseen kirjoitettua

Miksi kaiken teorialla on merkitystä?

11.1.2017 klo 20.13, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Laskennallisen materiaalifysiikan professori Kai Nordlund pyysi minut Tieteen päiville puolustamaan sitä, että kaiken teorian löytämisellä olisi väliä. Puhuin aiheesta tänään. Esitys meni jokseenkin näin.

Fysiikassa on kahdenlaisia lakeja: perustavanlaatuisia ja emergenttejä.

Emergentit lait voidaan, ainakin periaatteessa, johtaa muista tunnetuista laeista. Esimerkiksi molekyylit rakentuvat atomeista, joten niiden lait palautuvat atomifysiikkaan. Vastaavasti solujen toiminta palautuu molekyyleihin ja eläinten käytös soluihin. Usein emergentit lait ovat hyvin erilaisia kuin niiden pohjalla olevat lait. Esimerkiksi vettä ja muiden nesteitä kuvaava hydrodynamiikka poikkeaa muodoltaan ja luonteeltaan täysin atomeja kuvaavista laeista. Yleensä emergenttejä lakeja ei pystytä edes yksinkertaisissa tapauksissa käytännössä johtamaan, vaikka se olisi periaatteessa mahdollista. Esimerkiksi kvarkit ja niiden vuorovaikutukset ovat hyvin yksinkertaisia, mutta niistä koostuvien protonien, neutronien ja muiden hiukkasten ominaisuuksia ja vuorovaikutuksia –eli ydinfysiikkaa– ei vieläkään pystytä täysin päättelemään kvarkeista lähtien. Vasta 2000-luvulla aiheesta on saatu luotettavia tuloksia supertietokoneiden avulla, mutta vieläkin vain pieni osa ydinfysiikasta osataan palauttaa kvarkkien ominaisuuksiin.

Perustavanlaatuisia lakeja ei voida, ainakaan toistaiseksi, johtaa mistään. Tällä hetkellä meillä on kaksi perustavanlaatuista fysiikan teoriaa. Kvanttikenttäteoria kuvaa ainetta ja aineen osien välisiä vuorovaikutuksia, ja yleinen suhteellisuusteoria kuvaa aika-avaruutta ja sen vuorovaikutusta itsensä ja aineen kanssa. Tiedämme kuitenkin, että nämä kaksi tukipilaria eivät ole viimeinen sana. Ne ovat vain approksimaatioita jostain vielä perustavanlaatuisemmasta teoriasta, jota ei vielä tunneta: kvanttigravitaatioteoriasta.

Kvanttiteoria ja gravitaatio on onnistuneesti yhdistetty kosmisessa inflaatiossa, joka kuvaa sitä, miten kaikki maailmankaikkeuden rakenteen siemenet ovat syntyneet aineen ja aika-avaruuden kvanttivärähtelyistä maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla. Inflaatio on ainoa fysiikan osa-alue, missä kvanttigravitaatiota on pystytty kokeellisesti luotaamaan, ja havainnot ovat varmentaneet teorian ennusteita. Inflaatiossa kvanttiteoria ja gravitaatio yhdistetään kuitenkin vain hyvin yksinkertaisella tavalla, eikä tiedetä, miten ne kokonaisuudessaan nivoutuvat yhteen.

Monet tutkijat odottavat, että kvanttigravitaatioteoria olisi aidosti perustavanlaatuinen siinä mielessä, että sitä ei edes periaatteessa voisi johtaa mistään: lopullinen sana todellisuudesta. On kuitenkin mahdollista, että kvanttigravitaation takana on vielä uutta fysiikkaa ja kaiken teoria on luultua kauempana. Periaatteessa teorioiden ketju saattaa myös jatkua loputtomiin, niin että mitään kaiken teoriaa ei ole, ainoastaan yhä tarkempia ja tarkempia kuvauksia.

Kaiken teoria luultavasti poikkeaisi ennusteiltaan kvanttikenttäteoriasta (tai ainakin sen tämänhetkisestä perustavanlaatuisesta toteutuksesta, Standardimallista) ja yleisestä suhteellisuusteoriasta vain hyvin pienissä mittakaavoissa, isoilla energioilla ja vahvoissa gravitaatiokentissä. Kvanttigravitaatioon liittyvien ilmiöiden odotetaan tyypillisesti olevan merkittäviä vain pituusskaaloilla, jotka ovat pienempiä suhteessa protoniin kuin mitä protoni on suhteessa meihin. On kuitenkin kaksi syytä, miksi kaiken teorian löytäminen ei ole vain akateeminen kysymys. (Huvittavaa ja huolestuttavaa muuten, että yleisessä kielenkäytössä sana ”akateeminen” tarkoittaa samaa kuin ”merkityksetön”.)

Ensinnäkin kaiken teorialla voi olla yllättäviä teknologisia sovelluksia. 1800-luvun lopulla klassinen fysiikka, eli Newtonin mekaniikka ja Maxwellin sähkömagnetismi, kuvasivat hyvin kaikkia arkiskaalan ilmiöitä, ja kuvaavat vieläkin. Mutta vaikka atomit ovat yhtä pieniä suhteessa meihin kuin me olemme suhteessa Aurinkoon, niiden lakien löytäminen on mullistanut arkielämän. Vetyatomia tutkittaessa löydettiin kvanttimekaniikka, mihin pohjautuu kaikki elektroniikka ja nykykemia, sekä DNA:n ja muiden biologisten rakennuspalikoiden ymmärtäminen. Arkemme on kvanttimekaniikan sovellusten läpitunkema. Olisi ollut 1800-luvulla täysin mahdotonta ennustaa, millaisia sovelluksia atomifysiikalla tulee olemaan, saati sitten aavistaa siihen pohjaavan teknologian ajamia yhteiskunnallisia muutoksia. Yhtä lailla on mahdotonta sanoa, millaisia sovelluksia kaiken teorialla voi olla.

Toisekseen, kvanttiteoria ja yleinen suhteellisuusteoria muuttivat perin pohjin kuvamme todellisuudesta. Kvanttimekaniikka paljasti, että arkikäsityksemme aineesta, tapahtumisesta ja olemisesta ovat tyystin virheellisiä. Yleinen suhteellisuusteoria mullisti kuvamme ajasta ja avaruudesta, ja avasi oven maailmankaikkeuden historiaan. Emme vieläkään täysin sulattaneet näitä muutoksia, emme esimerkiksi hahmota, miten arkimaailma seuraa kvanttimekaniikasta. Kaiken teoria oletettavasti muuttaisi käsityksemme yhtä perinpohjaisesti, tavoilla, joita on mahdotonta vielä kuvitella.

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 modernin tiedonvälityksen, avulla. Yhtä tärkeää on kuitenkin se, miten fysiikka auttaa meitä ymmärtämään maailmaa: se selittää sateenkaaren värit, kertoo tähtien olevan kaukaisia aurinkoja, paljastaa maailmankaikkeuden historian olevan meidän historiaamme. Lyhyesti sanottuna, fysiikka kehystää inhimillisen kokemuksen.

---

Totalitaristinen periaate ja vanhan ajan romantiikka

20.12.2016 klo 11.09, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin viime viikolla Kiotossa konferenssissa Hidden Sector Physics and Cosmophysics, joka käsitteli aksioneja. Aksionit ovat spekulatiivisia erittäin kevyitä ja erittäin heikosti vuorovaikuttavia hiukkasia, ja ne ovat eräs ehdokas pimeäksi aineeksi. Olen aiemmin kirjoittanut siitä, miten kolmen steriilin neutriinon lisääminen on luonteva tapa laajentaa Standardimallia. Aksionit ovat toinen suoraviivainen Standardimallin täydennys.

Aksionien taustalla on Murray Gell-Manin totalitaristinen periaate: ”kaikki mikä ei ole kiellettyä, on pakollista”. Tämä tarkoittaa sitä, että hiukkasfysiikan teorioita muotoillaan siten, että ensin päätetään, millaisia hiukkasia ja symmetrioita niissä on, ja sitten otetaan mukaan kaikki symmetrioiden sallimat vuorovaikutukset hiukkasten välillä. Kvanttikenttäteorian rakenne on hyvin rajoittava (eli hyvin ennustusvoimainen), eikä mahdollisia vuorovaikutuksia yleensä ole kuin kourallinen.

Standardimalli melkein toteuttaa totalitaristisen periaatteen, poikkeuksena on vain yksi värivoimaa välittävien gluonien vuorovaikutus. Teorian symmetriat sallivat tämän vuorovaikutuksen, mutta havaintojen mukaan sitä ei ole, tai ainakin se on erittäin pieni. Aksioni on esitetty vuonna 1977 selittämään, miksi näin on. Idea on samankaltainen kuin Higgsin mekanismissa, missä Higgsin kenttä vuorovaikuttaa hiukkasten kanssa siten, että ne käyttäytyvät kuin niillä olisi massa. Aksionien tapauksessa aksionikenttä vuorovaikuttaa gluonien kanssa siten, että ne käyttäytyvät kuin niillä ei olisikaan tuota yhtä vuorovaikutusta. Kun Standardimalliin lisää aksionin, se toteuttaa totalitaristisen periaatteen.

Sittemmin on kehitetty myös muita ideoita samantapaisista hiukkasista, esimerkiksi säieteoriassa on useita kenttiä, jotka käyttäytyvät aksionin tavoin. Kutsun tässä näitä kaikkia samaan ideaperheeseen kuuluvia hiukkasia nimellä aksioni – tarkempaa olisi sanoa Standardimallin ongelman ratkaisevaa hiukkasta aksioniksi ja muita aksioninkaltaisiksi hiukkasiksi.

Kuten supersymmetria, tekniväri ja jokseenkin kaikki muutkin merkittävät ideat Standardimallin laajentamisesta, aksioni on 70-luvun lapsi, ensi vuonna se täyttää neljäkymmentä. Mitään havaintoja aksioneista ei vielä ole, mutta mielenkiinto niihin on viime aikoina kasvanut, koska sen enempää korkeita energioita luotaava LHC kuin raskasta pimeää ainetta suoraan etsivät kokeet eivät ole löytäneet uusia hiukkasia. Tämän takia huomio kääntyy enemmän siihen mahdollisuuteen, että Standardimallin tuonpuoleinen fysiikka ei ole piilossa siksi, että uudet hiukkaset olisivat raskaita, vaan siksi, että ne vuorovaikuttavat heikosti.

Steriilit neutriinot ovat yksi esimerkki, niistä kevyimmän massa saattaisi olla noin sadasosa elektronin massasta. Aksionit ovat äärimmäisempiä: sellaisen massa saattaa olla vain 10^(-28) elektronin massa. Tämä on suunnilleen sama kuin hiekanjyvän ja Maapallon massojen suhde. Aksionit voivat olla myös vähemmän kevyitä, 10^(-12) kertaa elektronin massaisia. Se, että aksionien mahdollinen massa (ja niiden vuorovaikutusten voimakkuus) kattaa niin ison alueen, tekee niistä vaikeasti löydettäviä, mutta siihen on keksitty erilaisia konsteja, joissa mainitsen tästä jokusen.

Magneettikentissä aksionit sekoittuvat fotonien kanssa. Niinpä aksioneja etsitään katsomalla, hohtaako valo seinän läpi. Kokeessa osoitetaan laserilla seinää magneettikentän ollessa päällä ja katsotaan näkyykö toisella puolella valoa. Jos aksioneja on olemassa, jotkut fotonit muuttuvat magneettikentässä aksioneiksi, matkaavat seinän läpi ja muuttuvat siellä takaisin fotoneiksi. Muuttumisen todennäköisyys riippuu herkästi aksionin massasta, joten kokeissa täytyy käydä erilaisia massavaihtoehtoja läpi yksi kerrallaan, mikä on hidasta puuhaa, ja eri massoille tarvitaan erilaisia koelaitteita.

Jos aksionit ovat pimeää ainetta, niitä on kaikkialla valtavia määriä. Pimeän aineen massatiheys Aurinkokunnassa tiedetään, joten mitä kevyempi aksioni on, sitä enemmän niitä on. Pienimmän mahdollisen massan tapauksessa meidän jokaisen kehon sisällä on noin 10^(38) aksionia. Niinpä vaikka yksittäisen aksionin vuorovaikutus on heikko, sitä paikkaa valtava lukumäärä.

Eräs lempipuheistani Kioton konferenssissa oli Yoshizumi Inouen esitys hänen ja kolmen kollegan etsinnöistä, joissa he käyttivät vanhaa antennia ja muita uusiokäytettyjä (osin roskalavalta löydettyjä) komponentteja pimeän aineen etsimiseen. Idea on se, että jos pimeä aine sekoittuu fotonien kanssa vähän, niin tavallinen antenni tai peili heijastaa pimeää ainetta vähän, joten sitä voi suunnata antennin avulla valon tai muun sähkömagneettisen säteilyn havaitsemiseen tarkoitettuun halpaan laitteeseen. Laitteisto kokonaisuudessaan maksoi kuulemma parituhatta euroa, mutta sulki silti pois tietynmassaiset ja tietyllä voimakkuudella vaikuttavat aksionit, mihin mikään muu koe ei ollut aiemmin pystynyt. Minulle tuli mieleen romanttiset ajat, jolloin hiukkasfysiikan kokeita saattoi tehdä muutama ihminen parissa kuukaudessa. Olisi jotenkin runollista, jos Inouen ja kumppanien nyrkkipajakoe olisi löytänyt pimeän aineen hiukkasen miljoonia tai miljardeja maksaneiden, tuhansien tutkijoiden huolella koordinoitujen hankkeiden sijaan.

Pieni massa johtaa myös kiinnostaviin kosmologian ja astrofysiikan ilmiöihin. Mitä pienempi hiukkasen massa on (kunhan se ei ole nolla), sitä isompi on siihen liittyvä aallonpituus. Aksionien massa voi olla niin pieni, että aallonpituus on tähtitieteen mittaluokkaa. Aksionit eivät voi muodostaa aallonpituuttaan pienempiä klimppejä, koska niiden paikka ei kvanttimekaniikan mukaan voi olla aallonpituutta tarkemmin määrätty. Jossain mielessä voi sanoa, että hyvin kevyet aksionit eivät ole pieniä hiukkasia, vaan tuhansien valovuosien kokoisia. Tämän on ehdotettu selittävän sitä, että galakseissa näkyy odotettua vähemmän pienen mittakaavan rakennetta, kuten pieniä satelliitteja Linnunradan ympärillä. (Näyttää tosin siltä, että asia selittyy ilmankin aksioneja.)

Vielä eksoottisempi mahdollisuus on se, että mustien aukkojen ympärillä olisi aksioneista muodostunut kehä. Aksionikehä saattaisi imeä aukosta energiaa ja loistaa kirkkaana. Voisi jopa olla mahdollista, että jotkut mustiksi aukoiksi tulkitut havainnot voisi selittää kokonaan tällaisten aksionitähtien avulla, ilman mustia aukkoja. Yksi tapa testata näitä ideoita on laskea millaisia ovat mustien aukkojen, tai aksionitähtien, törmäyksistä syntyvät gravitaatioaallot ja verrata niistä tehtäviin havaintoihin, joita on tulossa paljon lisää.

Kekseliäiden koejärjestelyjen avulla vaikeasti tavoitettavat aksionit lähitulevaisuudessa joko löytyvät tai ne osoitetaan olemattomiksi: viimeistään 15 vuoden kuluttua asiasta pitäisi olla varmuus. On myös hauskaa, miten vanhaan ideaan on saatu tuoreita näkökulmia mustien aukkojen kautta, kun yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisemisessa tietokoneilla on edistytty ja gravitaatioaaltojen yksityiskohtiin on päästy käsiksi.

---

Eroon suuresta järjettömyydestä

8.12.2016 klo 10.04, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Jatkan poimintoja kurssin Fysiikkaa runoilijoille aiheista. Kirjoitin aiemmin klassisen taivaanmekaniikan paljastamasta uudesta kauneudesta sekä suppean suhteellisuusteorian syrjäyttämästä eetteristä esimerkkinä järkevistä mutta vääristä suunnista. Nyt on vuorossa yllättävät vastaukset yleiseen suhteellisuusteoriaan johtaneisiin yllättäviin kysymyksiin.

Kun käy fysiikan historiaa läpi järjestyksessä, on silmiinpistävää, kuinka monasti järkevät ja perustellut ideat, kuten eetteri, ovat olleet täysin väärin. Usein havainnot ovat vieneet oikeille jäljille, ja teorioita on kehitetty tiiviissä vuorovaikutuksessa kokeiden kanssa. Yleinen suhteellisuusteoria on tässä suhteessa poikkeuksellinen, koetuloksilla ei ollut sen rakentamisessa ratkaisevaa merkitystä. Sen sijaan se on hyvä esimerkki siitä, miten oikeaan vastaukseen vievät vihjeet ovat joskus yhtä aikaa sekä kaikkien nähtävissä että vaikeasti ymmärrettävissä.

Isaac Newtonin vuonna 1687 esittämän klassisen gravitaatioteorian mukaan kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Tämä yksinkertainen laki on tarkemmin mietittynä hieman kummallinen: mistä kappale tietää, missä muut kappaleet ovat? Kun planeetta miljardien valovuosien päässä siirtyy radallaan, niin Newtonin gravitaatiolain mukaan sen aiheuttama voima muuttuisi täällä välittömästi.

On kaksi vaihtoehtoa: joko kappaleiden välillä on jonkinlainen niiden luonteelle ominainen kaukovaikutus, jolle ei ole sen kummempaa selitystä, tai sitten jokin välittää tietoa kappaleelta toiselle. Newton itse kirjoitti, että ajatus siitä, että gravitaatio olisi aineen sisäinen ominaisuus

”on niin suuri järjettömyys, että en usko kenenkään filosofisissa asioissa pätevän ajattelijan voivan siihen ikinä langeta. Gravitaatiolla täytyy olla välittäjä, joka toimii jatkuvasti tiettyjen lakien mukaan; mutta sen, onko tämä välittäjä aineellinen vai aineeton, olen jättänyt lukijoideni harkittavaksi.”

Lukijoiden harkintakyky ei vastannut Newtonin toiveita, ja hänen tuomitsemastaan kannasta tuli fysiikan valtavirtaa yli kahdensadan vuoden ajaksi. Viimeistään vuonna löydetty 1905 suppea suhteellisuusteoria kuitenkin vaati muutosta asiaan. Suhteellisuusteorian mukaan tieto kulkee korkeintaan valonnopeudella, joten kappaleet eivät voi tietää toistensa paikkojen muutoksesta heti, ainoastaan viiveellä.

Newtonin gravitaatiolaki muistuttaa sähköopista tuttua Coulombin lakia, jonka mukaan sähkövarausten välinen voima on kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Maxwellin sähkömagnetismi selitti, että sähkövaraus ei suoraan vedä toisia puoleensa. Sen sijaan varaus synnyttää sähkökentän, joka vaikuttaa muiden varausten liikkeeseen. Kun varaus liikkuu, sen synnyttämä sähkökenttä muuttuu, ja kentän muutos etenee valonnopeudella. Kun varaukset ovat lähellä ja liikkuvat hitaasti, niiden välinen voima on suunnilleen Coulombin lain mukainen, mutta se ei päde yleisesti.

Tätä voi pitää vihjeenä gravitaation luonteesta: entä jos gravitaatioon liittyy jokin kenttä, jonka muutokset etenevät valonnopeudella? Tätä polkua seurasi suomalainen fyysikko Gunnar Nordström, joka esitti vuonna 1913 ensimmäisen suppean suhteellisuusteorian kanssa sopusoinnussa olevan gravitaatioteorian. Siinä massat saavat aikaan kentän, jonka muutokset välittävät gravitaatiota, hieman sähkömagnetismin tapaan. Nordströmin teoria oli yksinkertainen, elegantti ja väärä.

Albert Einstein kulki eri reittiä. Hän oli ottanut vaarin siitä, että kaikki kappaleet liikkuvat samalla tavalla gravitaatiokentässä, toisin kuin sähkökentässä. Tämä oli hyvin tunnettu havainto, jolle ei ollut kunnollista selitystä, mutta joka toisaalta ei ollut ristiriidassa minkään muun asian kanssa, joten ei ollut ilmeistä, pitäisikö siitä olla huolissaan. Einstein kuitenkin päätteli siitä, että gravitaatio on aika-avaruuden ominaisuus, ei mikään siinä oleva kenttä. Tämä idea vaati perusteellisempaa uudelleenajattelua kuin Nordströmin ehdotus, ja sen täsmällinen ilmaiseminen yleisen suhteellisuusteorian muodossa kesti kahdeksan vuotta, päättyen vuonna 1915.

Yleisen suhteellisuusteorian ja Nordströmin teorian välisen kilvan ratkaisi vuoden 1919 auringonpimennyksen aikana mitattu valon taipuminen. Nordströmin teorian mukaan gravitaatio ei vaikuta valoon, mutta yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaatio vaikuttaa kaikkeen mitä aika-avaruudessa on. Havaintojen mukaan valo taipui, ja yleisen suhteellisuusteorian riemuvoitto raportoitiin lehtien etusivuilla.

Vastaus Newtonin avoimeksi jättämään kysymykseen siitä, onko välittäjä ”aineellinen vai aineeton” oli täysin odottamaton: gravitaatiota välittää aika-avaruus itse. Yleinen suhteellisuusteoria samalla ennusti, että kuten sähkömagneettisessa kentässä voi olla aaltoja, niin aika-avaruudessa itsessään voi olla aaltoja, gravitaatioaaltoja. Ne ovat osoitus gravitaation välittäjästä, siitä, että Newtonin ”suuresta järjettömyydestä” on päästy eroon. Gravitaatioaaltojen näkemisessä kesti kauan, ensimmäinen suora havainto ilmoitettiin vasta viime helmikuussa. Newtonin kysymykseen vastaaminen myös osoitti, että kappaleiden välinen näennäinen vetovoima ja gravitaatioaallotkin ovat vain pieni osa gravitaation rikkaasta ilmiömaailmasta, ja avasi oven kosmologialle, eli maailmankaikkeuden historian ymmärtämiselle.

---

Valon vihjeitä

30.11.2016 klo 14.24, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Syksyllä luennoimassani kurssissa Fysiikkaa runoilijoille oli seitsemän osaa: klassinen mekaniikka, sen tuolle puolen kasvaneet suppea ja yleinen suhteellisuusteoria sekä vastaavasti kvanttimekaniikka ja kvanttikenttäteoria, ynnä nämä yhteen tuova kosmologia ja yritykset kohti kaiken teoriaa. Poimin tänne, muiden aiheiden lomassa, yhden asian kustakin kurssin osasta. Aloitin kirjoittamalla siitä, miten klassisen taivaanmekaniikan myötä ihmiskunta löysi uudenlaisen kauneuden, nyt on vuorossa eetteri ja teorioiden hylkääminen.

Newtonin 1600-luvulla muotoilemassa klassisessa mekaniikassa aine koostuu pistemäisistä hiukkasista. Ne kohdistavat toisiinsa voimia, jotka voivat sitoa niitä isommiksi kokonaisuuksiksi: kaiken aineen käytös palautuu periaatteessa hiukkasiin. Sähkö- ja magneettikenttien löytäminen 1800-luvulla ravisteli tätä käsitystä.

Vuosina 1861-1862 James Maxwell esitti sähkökenttien ja magneettikenttien käytöstä kuvaavat yhtälöt, jotka nykyään kantavat hänen nimeään. Maxwellin yhtälöt kertovat, miten sähkövaraukset synnyttävät sähkökentän ja sähkökenttä ja magneettikenttä vaikuttavat toisiinsa. Maxwellin yhtälöt osoittivat sähkön ja magnetismin olevan erottamaton osa samaa kokonaisuutta, sähkömagnetismia.

Ne yllättäen myös kertoivat valon olevan sähkömagneettista aaltoliikettä. Sähkökentän muutos synnyttää pyörteisen magneettikentän, minkä muutos puolestaan synnyttää pyörteisen sähkökentän: tämä kenttien jatkuva vaihtuminen toisikseen on valoa. On tavallista, että yhtenäisteoriat vanhojen asioiden selittämisen lisäksi ennustavat uusia ilmiöitä, ja Maxwellin yhtälöt paljastivatkin, että on olemassa myös näkymätöntä valoa: mikroaaltoja, röntgensäteitä, radioaaltoja ja muita sähkömagneettisen säteilyn muotoja, joiden aallonpituus on liian pieni tai liian iso, jotta silmämme niitä rekisteröisivät. Tämä oli yksi ensimmäisiä osoituksia siitä, että näkyvä maailma on vain pieni osa havaittavaa todellisuutta.

Eräs askarruttava kysymys oli se, mistä sähkö- ja magneettikentät koostuvat. Selvästikään ne eivät rakennu samanlaisista hiukkasista kuin tavallinen, kiinteä aine. Laineet ovat veden aaltoilua, ääni on ilman aaltoilua, ja molemmat palautuvat molekyylien törmäilyyn. Mikä valossa aaltoilee?

Ratkaisuksi ehdotettiin eetteriä, ainetta, jonka aaltoilua valo olisi. Koska eetteriä ei oltu sen enempää nähty, kosketeltu käsin kuin havaittu gravitaatiovuorovaikutuksen kautta, sen pitäisi olla ominaisuuksiltaan aivan uudenlainen: valo olisi vihje erikoisesta aineen muodosta. Tässä ei sinänsä ole mitään epäilyttävää. 1900-luvulla ehdotetut pimeä aine ja pimeä energia ovat molemmat aineen muotoja, joita ei voi nähdä eikä tuntea, eikä jälkimmäisen tapauksessa Aurinkokunnan mittakaavassa käytännössä havaita edes gravitaation kautta. Eetterissä oli niihin verrattuna kuitenkin merkittävä ongelma: sen oli määrä kantaa valoa, joka vuorovaikuttaa voimakkaasti tavallisen aineen kanssa, mitä oli vaikea sovittaa yhteen sen kanssa, että eetteri on kytketty tavalliseen aineeseen hyvin heikosti.

Yksi merkittävä vihje eetterin olemuksesta oli se, että Maxwellin yhtälöiden mukaan valoaaltojen nopeus (kun ne liikkuvat alueessa, missä ei ole sähkövarauksia) on 299 792 458 m/s. Ajateltiin, että aivan kuten äänen nopeus ilmassa on 300 m/s suhteessa ilmaan, valon nopeus olisi 299 792 458 m/s suhteessa eetteriin. Tällöin valon nopeuden pitäisi olla pienempi tai isompi, kun liikkuu eetterin suhteen, aivan kuten ääniaallot saavat havaitsijan kiinni nopeammin tai hitaammin tämän liikkuessa ilman suhteen.

Koska Maa kulkee Aurinkokunnassa, se liikkuu oletettavasti myös eetterin suhteen, joten valon nopeuden pitäisi olla erilainen eri suunnissa. Vuonna 1887 Albert Michelson ja Edward Morley mittasivat tätä ja totesivat että nopeus on sama suunnasta riippumatta. On tietysti mahdollista, että sattumoisin Maa olisi ollut kokeen aikaan levossa eetterin suhteen, joten koe toistettiin eri vuodenaikana, jolloin Maan nopeuden suunta on erilainen, mutta eroa ei taaskaan ollut.

Nykyään tämä nähdään (aivan oikein) osoituksena siitä, että valon nopeus ei riipu havaitsijan liikkeestä eikä eetteriä ole olemassa. Tämä piirre, että valon nopeus on sama kaikille on vastoin klassista mekaniikkaa, jonka mukaan kaikki nopeudet ovat suhteellisia. Tämä ongelman ratkaisu on se, että klassinen mekaniikka ei ole täysin oikein (eli sen pätevyysalue on rajallinen), kuten Albert Einsteinin vuonna 1905 esittämä suppea suhteellisuusteoria selvitti.

Eetterin tutkiminen ei kuitenkaan loppunut Michelsonin ja Morleyn kokeeseen. He kirjoittivat (aivan oikein), että tulos vain sulkee pois sen, että eetteri ei olisi levossa Maan suhteen. Tähän voi vastata kehittämällä mallin, jossa eetteri on levossa Maan suhteen, esimerkiksi kytkemällä sen Maan gravitaatiokenttään, niin että Maa kiinnittää ympärilleen eetterivaipan, kuten pallo nesteessä. Keksin tämän itse, en tiedä käytettiinkö tällaista selitystä oikeasti, mutta jos haluaa aiheeseen perehtyä, niin Ari Tervashonka on tehnyt mielenkiintoiselta vaikuttavan gradun Fysiikan referenssiraamin muutos: Maxwellilaisen eetterihypoteesin teoriaperinne vuosina 1879–1916. En ole ehtinyt käydä sitä läpi, voi olla että palaan aiheeseen sen luettuani.

Eetterillä, kuten episyklillä, on nykyään huono kaiku. Aikanaan se oli kuitenkin järkevä hypoteesi, eikä ole yllättävää, että siitä ei luovuttu Michelsonin ja Morleyn kokeen takia. Kuten olen maininnut edesmenneestä Pioneer-anomaliasta kirjoittaessani:

”teoria on tieteessä välttämätön käyttöliittymä todellisuuteen. Jos pitäisi hylätä teoria siksi, että se on ristiriidassa havaintojen kanssa, ilman että on uutta tilalle, niin tiede loppuisi siihen pisteeseen. On totta, että teoria ei voi olla tieteellinen ellei sitä voi falsifioida, mutta toiminta ei ole tiedettä, jos siinä ei ole teoreettista ohjenuoraa.”

Ei ole selvää, mihin teoreettisen idean seuraaminen pitäisi lopettaa. CERNin LEP-kiihdytin ei nähnyt merkkejä matalan energian supersymmetriasta, ei myöskään sen seuraaja LEP2 eikä Fermilabin Tevatron, eikä, ainakaan toistaiseksi, LEPin tunneliin rakennettu LHC. Tähän voi vastata kehittämällä mallin, jossa supersymmetristen hiukkasten massat ovat niin korkeita, että niitä ei kiihdyttimissä nähdä. Tämä tosin romuttaa alkuperäisen idean siitä, että niiden ja tunnettujen hiukkasten massojen ero olisi samaa suuruusluokkaa kuin Higgsin massa, mutta ehkä supersymmetrian tarina on monimutkaisempi? Ei ole mitään tieteellistä metodia, joka antaisi yksiselitteisen vastauksen tällaisiin kysymyksiin.

Yleensä teoriasta luovutaan vasta sitten, kun kehitetään parempi teoria, tai hahmotetaan oikeat kysymykset sen löytämiseksi. Jos lähtee ratkaisemaan sitä ongelmaa, että Maan pinnalla oleva eetteri ei voi liikkua Maan suhteen, niin seuraava askel menee harhaan, kun pitäisi ottaa pakkia ja pohtia lähtökohtia uudelleen.

Suppean suhteellisuusteorian löytämisen lisäksi sähkömagnetismiin liittyi toinenkin mullistus: osoittautui, että sähkö- ja magneettikentät eivät koostu hiukkasista, vaan ovat itsessään perustavanlaatuisia rakennuspalikoita. Tämä oli ensimmäinen lisä klassisen mekaniikan käsitykseen aineesta: sähkömagnetismin myötä maailmassa oli kahdenlaisia olioita, hiukkasia ja kenttiä. Ajatus kentistä itsenäisinä toimijoina oli keskeinen suppean suhteellisuusteorian laajentamisessa yleiseksi suhteellisuusteoriaksi sekä kvanttimekaniikan laajentamisessa kvanttikenttäteoriaksi. Nykyään tilanne on kääntynyt päälaelleen Maxwellin ajoista: kaikki rakentuu kentistä, hiukkaset eivät ole perustavanlaatuisia. Tämä klassisen hiukkaskuvan rapautuminen on ollut keskeisessä roolissa modernin fysiikan kehityksessä, ja palaan siihen seuraavissa poiminnoissa.

Pintaraapaisun ja perehtymisen väliltä

15.11.2016 klo 13.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Syksyllä luennoimani kahden kuukauden kurssi Fysiikkaa runoilijoille oli pisin koostamani populaari esitys fysiikasta. Tarkoitus oli valaista ei-luonnontieteilijöille sitä, mistä fysiikassa on kysymys ja miten se on muuttanut maailmankuvaa. Modernin fysiikan (eli suhteellisuusteorian ja kvanttiteorian) tuoma mullistus todellisuuskäsityksestä on suuruudessaan verrattavissa siirtymään maagisesta maailmankuvasta valistuksen järkeilyyn, mutta sen sisältö on tuntematon valtaosalle ihmisistä, jotka eivät ole fyysikkoja. Kurssi pyrki omalta pieneltä osaltaan paikkaamaan tätä aukkoa. Luennoilla kävi myös yliopiston ulkopuolisia. Eräs kurssilainen totesi palautteessa seuraavasti:

Tällaisia tieteenalojen välisiä kädenojennuksia kaivattaisiin enemmän. Tuntuu, että noin yleisesti ottaen fysiikasta kiinnostunut humanisti voi joko tyytyä populaarikirjallisuuteen tarjoamaan pintaraapaisuun tai vaihtoehtoisesti aloittaa fysiikan opiskelun aivan a:sta; välimuotoa on vaikea löytää.

Kurssin loppuesseiden ja palautteen perusteella kurssi onnistui tässä. Loppuesseistä kiinnostavimpia minulle olivat ne, joissa opiskelijat pohtivat kurssilla esitettyä kuvaa maailmasta oman tieteenalansa näkökulmasta, esimerkiksi historian, kehitysmaatutkimuksen, kirjallisuustieteen ja kognitiivisen neurotieteen. Fysiikka näyttäytyi monille hankalana mutta kiinnostavana alueena niin lähestymistapansa kuin paljastamansa todellisuuden puolesta (otteet ovat palautteesta, jossa kysyin mm. sitä, neuvoja kurssin jatkossa käyville opiskelijoille, jokainen kappale on eri opiskelijalta):

Alussa olisi hyvä käydä läpi vielä selkeämmin fyysikon ajattelutapaa ja tieteenalan viitekehystä. Humanistille ”kysymys ei ole relevantti”-tyyppinen vastaus tuntuu todella vieraalta.

Kannattaa orientoitua itsekseen sillä lailla, että nyt opitaan jotakin itselle aivan uutta ja oman alan näkökulmasta jopa hämmentävää. Se voi tuntua kurssin edetessä vaikealta, mutta keskittyminen palkitsee!

Minulle kurssi avasi aivan uudenlaisen kehyksen tarkastella maailmaa.

Oman ajattelun haastaminen ja totuttujen kaavojen ja ajatustapojen rikkominen oli todella virkistävää. […] Etenkin runojen kannalta kurssilla esiintyi monia samantapaisia fysiikan näkökulmasta tosia lauseita, jotka jollain tavalla kiteyttivät monimerkityksellisyydellään jotain sekä ulkoisesta maailmankaikkeudesta että jotain hyvin perusinhimillistä ja samaistuttavaa.

Fysiikan suhde kauneuteen tuo mielenkiintoisen yhtymäkohdan muiden tieteenalojen todellisuusmalleihin. Fysiikan kauneuden käsitteet, symmetria, muodot havaittujen luonnonlakien takana kiehtovat taiteiden ja filosofian alojen todellisuutta tutkivaa.

Tieteelliseen maailmankuvaan on vähitellen siis tarttumassa ajatus siitä, että ihmisen havaintokyvyn ulkopuolella olevat asiat selittävät todellisuutta parhaiten.

Toisaalta opiskelijat kertoivat siitä, miten hämäräksi asiat olivat kurssilla jääneet, ja miten siellä tarjottua tietoa oli vaikea arvioida ja kehystää:

Esimerkiksi luennolla olisi voinut kertoa mitä vain ja olisin sen todennäköisesti uskonut tiedon arvioimiseen tarvittavien työkalujen puutteessa. Ajan suhteellisuus, gravitaatio, pimeä aine ja aika-avaruuden taipuminen sellaisinaan tuntuvat jo niin hurjilta ja käsittämättömiltä, että samaan linjaan voisi hyvin uskoa muutakin kummallista.

Sekin on toivottava saavutus, että hahmottaa, että ei ymmärrä tai ei pysty kriittisesti arvioimaan jotakin asiaa, sen sijaan että virheellisesti luulisi ymmärtäneensä sen. Loppuesseissä olikin (yllätyksekseni) hyvin vähän väärinkäsityksiä kurssilla käsitellyistä asioista. Luullakseni ei ole tavatonta, että populaarien esitysteni jäljiltä moni yleisöstä on ymmärtänyt jotain keskeistä väärin, mutta kurssin pituuden takia luennoilla oli mahdollista enemmän avata tiedon perusteita ja tietämättömyyttä.

Oli myös mukava huomata, että opiskelijat kokivat kurssista olevan apua fysiikan populaarin käsittelyn arvioimisessa:

Ehkä tärkeimpinä anteina kurssista uskon, että pystyn jatkossa suhtautumaan huomattavasti kriittisemmin esimerkiksi tiedeuutisointiin ja populaareihin teksteihin alasta. Toisaalta pystyn varmasti myöskin paremmin hahmottamaan, mistä niissä on ylipäänsä kyse, kun kurssin jälkeen peruskäsitteet ovat hyvin karkeasti hallinnassa.

Koen nyt käsittäväni fysiikan eri ilmiöitä paremmin ja osaan tarkastella kriittisemmin esimerkiksi populaarikulttuurin tieteisfiktion sovelluksia fysiikan eri ilmiöistä.

Kurssilaiset arvostelivat (epäselvän ja liian nopean puheeni lisäksi) kurssissa enimmäkseen sitä, että se oli liian lyhyt ja siinä olisi voinut olla enemmän kosmologiaa. (Yksi opiskelija soimasi kurssin leikillistä nimeä harhaanjohtavaksi, koska fysiikkaa ei tarkasteltu runouden näkökulmasta.)

Fysiikan popularisoimisesta ei ole popularisoijille juuri hyötyä fysiikan sisällön ymmärtämisessä, mutta se auttaa näkemään selkeämmin, mistä fysiikassa on kysymys ja miten se nivoutuu inhimilliseen kokemukseen, ja tältä kannalta kurssin luennoiminen ja opiskelijoiden kysymykset, palaute ja esseet olivat minulle antoisia.

Kaiken merkitys ja näkymättömät aallot

14.11.2016 klo 13.55, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olen Tieteen päivillä mukana kahdessa ohjelmanumerossa.

Puhun keskiviikkona 11.1. kello 12.15 alkavassa sessiossa ”Mitä voidaan ennustaa?” otsikolla ”Miksi kaiken teorialla on merkitystä?” Muina puhujina ovat Kai Nordlund, Ilpo Vattulainen ja Eero Castren. Nordlund kaiketi haastaa kaiken teorian merkityksen, ja minä puolustan sitä.

Puhun torstaina 12.1. kello 12.00 aiheesta ”Näkymättömiä aaltoja mustien aukkojen törmäyksistä”.

Tilaisuuksiin on vapaa pääsy.

Päivitys (17/11/16): Keskiviikon session kuvaus on seuraava.

”Fysiikan perimmäinen tavoite on löytää kaiken teoria, joka selittäisi yhdellä matemaattisella formalismilla kaikki vuorovaikutukset ja kaiken maailmankaikkeuden aineen luonteen. Sessiossa tarkastellaan sekä fysikaaliselta, biologiselta että neurologiselta kannalta sitä, että jos kaiken teoria löydetään, tarkoittaako se että sen perusteella voimme ennustaa kaiken mitä tulevaisuudessa tapahtuu? Session puheenjohtaja, fysiikan professori Kai Nordlund argumentoi ensiksi että vastaus on yksiselitteisesti ei. Vaikka kaiken teoria saattaa hyvin mahdollistaa hiukkastason ennustettavuuden, kun tullaan ihmiselle merkittävälle atomitasolle, kaiken teorialla ei ole juuri väliä. Atomitasolla nimittäin vuorovaikutukset tulevat niin monimutkaiseksi, että vaadittaisiin maailmankaikkeutta suurempi tietokone ennen kuin voitaisiin ennustaa biologista skaalaa.

Johdannon jälkeen kosmologi Syksy Räsänen kuvailee mitä kaiken teoria tarkoittaa, ja argumentoi miksi kaiken teorian tunteminen kuitenkin olisi erittäin merkittävää ihmiskunnalle. Tämän jälkeen biofysiikan professori Ilpo Vattulainen puhuu siitä miten, monimutkaisuudesta huolimatta, atomitason malleille kuitenkin voidaan jo nyt ennustaa tiettyjä biologisia prosesseja. Lopulta neurotieteen professori Eero Castren puhuu siitä, miten ihmisaivot ovat ennustava elin, ja miten pitkälle ihmisen käyttäytymistä voi ennustaa.”

---

Muodot muotojen takana

5.11.2016 klo 15.29, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Tänä syksynä luennoimallani kurssilla Fysiikkaa runoilijoille käytiin läpi perustavanlaatuisia fysiikan lakeja klassisesta fysiikasta kaiken teorioihin. (Luentojen Powerpoint-esitykset ovat kurssin sivulla. Ne on tarkoitettu luentojen tueksi, mutta joillekin niistä on ollut iloa yksinäänkin.) Asioiden käsitteleminen aikajärjestyksessä auttoi hahmottamaan joitakin fysiikan keskeisiä piirteitä selvemmin. Yksi niistä on symmetrian käsite, joka on ollut tärkeä fysiikan kehityksessä alusta alkaen, ja jonka avulla fysiikan synty avasi ihmiskunnan koettavaksi uudenlaisen kauneuden muodon.

Eräs tärkeä silta protofysiikasta fysiikkaan oli taivaan ilmiöiden tarkastelu. Maapallon ulkopuoliset ilmiöt, erityisesti aluksi Kuu, planeetat, Aurinko ja muut lähitähdet ovat sikäli hyviä havaintokohteita, että niiden näkeminen on helppoa ja havaintojen ilmaiseminen ja toistaminen on suoraviivaista. Taivaalla myös pääsee todistamaan isompia ja joskus äärimmäisempiä tapahtumia kuin Maassa. Siksi taivaankatsomisella on ollut tärkeä osa niin klassisen fysiikan kuin yleisen suhteellisuusteorian kehittämisessä.

Auringon, Kuun ja planeettojen liikkeet taivaalla ovat myös sikäli otollisia tutkimuskohteita, että ne ovat selkeän säännönmukaisia: fysiikka etenee yksinkertaisten asioiden yksityiskohtaisella tarkastelulla. Muinaiset kreikkalaiset esittivät, että taivaiden liikkeet voidaan selittää tasaisella ympyräliikkeellä. Jos planeetat kiertäisivät Maata tasaisesti ympyröillä, niin planeetat liikkuisivat taivaalla aina samaan suuntaan, mutta jo muinaiset babylonialaiset tiesivät, että ne joskus ottavat pakkia. Niinpä kreikkalaiset kehittivät Ptolemaioksen nimiin laitetun mallin, joiden mukaan planeetat liikkuvat pienillä ympyröillä, joiden keskipiste kiertää Maata ympyrällä. (Liikkeen muoto vastaa suunnilleen sitä, miten kuut todellisuudessa kiertävät planeettoja, jotka kiertävät Aurinkoa.) Näiden pienten ympyröiden, episyklien, lisäämisestä on sittemmin tullut synonyymi sille, että kun malli on ristiriidassa havaintojen kanssa, siitä tehdään monimutkaisempi miettimättä ilmiön perusteita. Arvio on sikäli hieman harhaanjohtava, että yksinkertaisille ympyräradoille ei ollut sen kummempia perusteita kuin episykleillekään. Ymmärrys säännöistä ratojen takana kehittyi vasta fysiikan lakien myötä.

Episyklien avulla havainnot planeettojen liikkeistä selittyivät tyydyttävästi 1500-luvulle asti. Vuonna 1543 Nikolaus Kopernikus esitti uudenlaisen Aurinkokunnan mallin, jossa episyklejä ei ole, ja planeetat kiertävät ympyräradoilla Maan sijaan Aurinkoa. Kopernikuksen lähtökohtana ei ollut havaintojen tarkempi selittäminen, vaan symmetria: hän halusi palauttaa puhtaiden ympyröiden kauneuden. Fysiikassa totuus usein löytyy kauneutta etsimällä, mutta joskus löytöön johdattanut idea osoittautuu virheelliseksi. Niin Kopernikuksenkin tapauksessa: hän oli oikeassa siinä, että planeetat kiertävät Aurinkoa, mutta väärässä siinä, että radat olisivat ympyröitä. Johannes Kepler osoitti Tyko Brahen tekemien havaintojen avulla, että planeetat liikkuvat ellipsiradoilla. Vain tämän oivalluksen myötä aurinkokeskinen malli pystyi selittämään planeettojen kaaret taivaalla episyklimallia paremmin. Vaikka Kopernikuksen lähtökohta eli ympyräratojen yksinkertaisuus ja esteettisyys ei osoittautunut paikkansapitäväksi, hänen mallinsa kuitenkin raivasi tien syvemmän estetiikan luo.

Isaac Newton osoitti vuonna 1687 julkaistussa klassisen mekaniikan perusteoksessa Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, että ellipsiradat ovat seurausta siitä, että Aurinko vetää kappaleita puoleensa voimalla, joka on pallosymmetrinen, eli samanlainen kaikkiin suuntiin. Fysiikan voi katsoa alkaneen Principiasta. Matemaattinen mallintaminen ja mallien testaaminen havainnoilla oli ollut mukana taivaan liikkeiden kuvaamisessa vuosisatoja, mutta klassinen mekaniikka toi ensimmäistä kertaa mukaan fysiikan kolmannen tukipilarin eli teorian. Teoria kertoo säännön havaitun järjestyksen taustalla. Samalla Newton löysi uudenlaisen kauneuden, joka liittyy fysiikan lakeihin, ei niiden ilmentymiin.

Planeettojen radat eivät toteuta yksinkertaista ympyräsymmetriaa, mutta niiden ratojen takana olevat lait ovat vielä symmetrisempiä: gravitaatiovoima riippuu vain kappaleiden etäisyydestä, siinä ei ole mitään erityistä suuntaa eikä paikkaa. Newton löysi kauneuden, joka on fysiikan ytimessä. Fysiikan kauneus ei liity sen kuvaamien asioiden ilmentymiin, vaan lakeihin, jotka määräävät sen, millaiset ilmentymät ovat mahdollisia. Kauniita eivät ole niinkään havaitut muodot, kuin sääntöjen muodot, muodot muotojen takana.

Eron oireita

21.10.2016 klo 23.39, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Olen aiemmin kirjoittanut siitä, miten tieteellisten artikkelien kaupallisesta julkaisemisesta on tullut tarpeetonta. Kustannusbisnes siirtää joka vuosi miljardeja euroja tiedeyhteisöltä kustannusalalla toimivien suuryritysten taskuihin. Ei ole liioiteltua sanoa, että artikkelien kaupallisesta julkaisemisesta on tullut merkittävä este tieteen edistykselle. Kustantajista erityisen huonon maineen on saanut Elsevier, joka on aktiivisesti yrittänyt estää tieteellisen tiedon välittämistä.

Kaupallisten kustantajien bisnesmalli on tuottoisa: tutkijat antavat artikkelinsa ja työpanoksensa vertaisarvioinnissa ilmaiseksi, ja kustantajat myyvät artikkelit takaisin tutkijoiden yliopistoille kovaan hintaan. Tämä kuitenkin toimii vain niin kauan kuin tiedeyhteisö suostuu jatkamaan leikkiä. Koska artikkeleita voi laittaa avoimiin arkistoihin ilmaiseksi luettavaksi ja vertaisarvioinnin voi järjestää taskurahalla, kustantajien voitot ovat uhattuna.

Elsevier on vastannut haasteeseen omalla tavallaan. Ensinnäkin se on ostanut erityisesti talous- ja oikeustieteilijöiden käyttämän SSRN-arkiston. Pian Elsevier rupesi poistamaan arkistossa olevia artikkeleita, perättömin perusteluin ja kirjoittajille ilmoittamatta. On epäselvää, kuinka monta artikkelia koki tämän kohtalon (Elsevierin mukaan vain parikymmentä), ja oliko kyseessä vain toiminnan alkuun liittyvä virhe. Mutta joka tapauksessa tapahtuma alleviivasi sitä, että tieteellinen tieto ei ole turvassa suuryritysten omistuksessa, koska yritykset ovat vastuussa vain osakkeenomistajille, eivät tiedeyhteisölle. Tiedeyhteisö on reagoinut perustamalla uuden arkiston nimeltä SocArXiv. Se seuraa jossain suhteessa, kuten nimessä, fysiikan arkistoa arXiv, mutta siinä on enemmän sosiaalisen median ja verkostoitumisen nykyaikaisia työkaluja.

Elsevierin toinen avaus on omaperäisempi: se on yrittänyt patentoida verkossa tapahtuvan vertaisarvioinnin. Patenttia ei onneksi hyväksytty alkuperäisessä laajuudessaan. Myönnetty patentti kattaa vain vertaisarvioinnin, jossa artikkelia voidaan tarjota toiseen lehteen hylkäämisen jälkeen. Elsevier saattaa silti yrittää tukahduttaa tieteilijöiden verkossa järjestämiä vertaisarviointipalveluita patentin avulla. Se, kestäisikö patentin tulkinta oikeudessa on toissijaista, jos tieteilijöillä ei ole aikaa ja rahaa käydä oikeuskamppailuja.

Elsevierin toiminta kertoo siitä, että yritys ymmärtää tiedekustannusbisneksen lopun häämöttävän. Toivottavasti sen temppujen tökeryys nopeuttaa tiedeyhteisön eroa muistakin kaupallisista kustantajista, ja miljardien vapautumista tieteen tekemiseen.

Vakauden ja tuhon rajalla

30.9.2016 klo 22.54, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Monet odottivat CERNin LHC-kiihdyttimen vievän tutkijat Standardimallin tuolle puolen. Uutta mannerta ei kuitenkaan ole näkynyt, ja toistaiseksi LHC on löytänyt vain Higgsin hiukkasen. Tämä on saanut yhä useammat tutkijat ottamaan vakavasti sen pelottavan vaihtoehdon, että Standardimallin pätevyysalue ulottuukin paljon LHC:n energioita pidemmälle. Vaikka LHC:n ulottuvilla ei olisi enää mitään löydettävää, sen tuloksista voi kuitenkin silti päätellä, missä vaiheessa uutta fysiikkaa viimeistään tulee vastaan

Standardimalli on vain approksimaatio, ja jos voidaan osoittaa, että se törmää ongelmiin tietyllä energialla, niin viimeistään silloin pitää tulla jotain uutta kuvioihin. Samanlaisella perusteella tiedettiin se, että LHC löytää joko Higgsin tai jotain uutta: ilman Higgsin hiukkasta Standardimalli ei toimi edes LHC:n energioilla. Higgsin kanssakaan Standardimallin pätevyysalue ei ole rajaton. Itse asiassa juuri Higgs on vastuussa Standardimallin ongelmista.

Higgsin kenttä antaa alkeishiukkasille massat siten, että kenttä täyttää koko avaruuden ja hiukkaset vuorovaikuttavat sen kanssa. Hiukkasten saamien massojen suuruus riippuu kahdesta asiasta: kuinka voimakkaasti ne kytkeytyvät Higgsin kenttään ja kuinka suuri kentän arvo on. Tätä voi verrata siihen, miten sähkökenttä kiihdyttää hiukkasia: hiukkasiin kohdistuva voima riippuu siitä, kuinka voimakkaasti ne kytkeytyvät sähkökenttään (eli mikä niiden sähkövaraus on) ja kuinka suuri sähkökentän arvo on.

Sen lisäksi, että Higgsin kentän arvo määrää hiukkasten massojen suuruusluokan, sillä voi olla muitakin tärkeitä rooleja. Higgsin kenttään liittyy energiatiheys. Kentän nykyisellä arvolla energiatiheys on nolla (tai hyvin pieni, jos se on nykyisen kiihtyvän laajenemisen takana). Kentän isommilla arvoilla Higgsin energiatiheys ensin kasvaa, ja se saattaa olla vastuussa varhaisen maailmankaikkeuden inflaatiosta ja sitä kautta kaiken rakenteen siemenistä. Kentän arvon kasvaessa energiatiheys kuitenkin kääntyy laskuun, ja lopulta putoaa negatiiviseksi. Tämä olisi maailmankaikkeudelle katastrofi.

Jos Higgsin kentällä on tila, jossa sen energiatiheys on nykyistä arvoa pienempi, niin kenttä voi hypätä sinne. Tämä ilmiö on nimeltään tunneloituminen, ja se on atomiydinten radioaktiivisen hajoamisen taustalla. Paitsi että kentän isompi arvo muuttaisi hiukkasten massat ja vuorovaikutukset ja siten tuhoaisi aineen sellaisena kuin sen tunnemme, negatiivinen energiatiheys saisi maailmankaikkeuden romahtamaan laajenemisen sijaan.

Jos aika siihen, että maailmankaikkeus tekee tämän hirvittävän hyppäyksen on pidempi kuin sen nykyinen ikä, niin ongelmaa ei ole. Jos sen sijaan tunneloitumisen olisi pitänyt jo tapahtua, niin voimme päätellä, että alemman energian tilaa ei ole olemassa – eli on olemassa uutta fysiikkaa, joka kääntää Higgsin kentän energian nousuun ennen kuin se putoaa alle nollan.

Se, millä kentän arvolla Higgs sukeltaa negatiiviin energioihin riippuu ennen kaikkea Higgsin massasta (ja top-kvarkin massasta). Se onkin ainoa uusi maailmankaikkeutta kuvaava luku, jonka LHC on meille kertonut. Higgsin massa tunnetaan nyt 0.2% tarkkuudella, ja top-kvarkin massa sekin paremmalla kuin 1% tarkkuudella. Se, koska Higgsin kentän energiatiheys putoaa alle nollan, kuitenkin riippuu näistä massoista niin herkästi, että ei vieläkään tiedetä tarvitaanko uutta fysiikkaa, vai voiko Standardimalli päteä aina kvanttigravitaation porteille asti.

Voi kuulostaa siltä kuin nämä LHC:n mittaukset eivät olisi tehneet meitä tässä yhtään viisaammaksi. Kuitenkin juuri se, että yli prosentin tarkkuus ei riitä kertomaan, onko Standardimallin kuvaama maailmankaikkeus stabiili vai epästabiili, on itsessään kiehtova tosiseikka. Jos Higgsin ja top-kvarkin massat olisivat vähän erilaiset, niin joko Standardimallin mukainen maailmankaikkeus tiedettäisiin stabiiliksi tai maailmankaikkeutta ei olisi.

Miksi Standardimalli on niin lähellä stabiilin ja epästabiilin tilanteen rajaa? Sattumaksi tämä on poikkeuksellisen kutkuttava. Yksi ehdotus on, että isoilla kentän arvoilla, joiden ajatellaan liittyvän siirtymään Standardimallista kvanttigravitaatioon, Higgsin kentän energiatiheyden pitää olla nolla, eli tismalleen stabiilin ja epästabiilin tilanteen rajalla. Higgs-inflaatiostakin tunnettu Mikhail Shaposhnikov yhdessä Christof Wetterichin kanssa käytti tällaista periaatetta Higgsin massan (onnistuneeseen) ennustamiseen vuonna 2009, kolme vuotta ennen sen löytymistä. Olivatpa he oikeilla jäljillä tai eivät, niin jos LHC ei tulevina vuosina paljasta uusia tienviittoja, tämän yhden vihjeen suuntaan raivataan varmasti yhä useampia polkuja.

---

Pikkuhyrrien kertomaa

16.9.2016 klo 00.20, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Mainitsin steriilien neutriinoiden yhteydessä ominaisuudesta nimeltä spin, jota olen sivunnut joskus aiemminkin, kertomatta kunnolla mistä siinä on kyse. Yritän hiukan korjata tilannetta ja myös valaista, miksi asian selittäminen yleistajuisesti on vaikeaa.

Klassisen mekaniikan mukainen käsitys maailmasta sopii hyvin yhteen arkiajattelumme kanssa. Kvanttimekaniikan paljastama kuva on sen sijaan outo. Esimerkiksi kaksoisrakokoetta on mahdoton ymmärtää, jos ajattelee fotonien olevan joko yhteen paikkaan keskittyneitä hiukkasia, kuten hiekanjyvät, tai pienistä osista koostuvia aaltokokonaisuuksia, kuten veden laineet. Kun kvanttimekaniikkaa haparoiden hahmoteltiin sata vuotta sitten, puhuttiin aaltohiukkasdualismista. Tällä tarkoitettiin sellaista ajatusta, että fotoni on toisaalta aalto ja toisaalta hiukkanen (sanan merkityksessä ”yhteen paikkaan keskittynyt klimppi”), riippuen siitä, missä yhteydessä sitä tarkastelee. Nykyään asia ymmärretään paremmin, ja tällainen termi hämärtää ennemmin kuin valaisee.

Hiukkanen ja aalto ovat molemmat malleja fotonien käyttäytymiselle. Jossain olosuhteissa hiukkasmalli on tarkempi, toisissa aaltomalli. Fotonia kuvaa kummassakin tapauksessa tarkasti aaltofunktioksi kutsuttu malli. Yksissä olosuhteissa aaltofunktio käyttäytyy vesiaallon tavoin, toisissa hiekanjyvän, joissakin ei kummankaan.

Tämä on kummallista vain jos sekoittaa mallin ja todellisuuden. Fotoni ei ole sen enempää aalto kuin hiukkanen kuin aaltofunktiokaan: malli on vain kuva todellisuudesta, ei todellisuus. Fotonien tapauksessa hiukkanen ja aalto ovat vajavaisia malleja, aaltofunktio on hyvin tarkka malli. (Vaikka sitäkin pitää tarkentaa kun kuvataan esimerkiksi uusien hiukkasten syntymistä kiihdytinten törmäyksissä.)

Spinin selittäminen on vaikeaa, koska se ei missään olosuhteissa käyttäydy samalla tavalla kuin mikään tuttu ilmiö. Aaltofunktio ainakin toisinaan käyttäytyy kuten klassisen mekaniikan mallit, mutta spin on puhtaasti kvanttimekaaninen ominaisuus, jolle ei ole mitään vastinetta arkikokemuksessa. Yritän silti vähän hahmotella, millainen se on.

Spinin löysi Paul Dirac vuonna 1928. Yrittäessään yhdistää kvanttimekaniikkaa ja suppeaa suhteellisuusteoriaa hän yleisti elektronia kuvaavan aaltofunktion käyttäytymistä koskevan yhtälön. Tuloksena oli yllättäen neljän yhtälön kokoelma, joka kuvaa neljää eri aaltofunktiota: elektronista on neljä eri versiota. Puolet näistä aaltofunktioista kuvaa antielektronia eli positronia, joka havaittiinkin seuraavana vuonna. Lisäksi puolet aaltofunktioista kuvaa elektroneja (ja positroneja), joilla on eri spin. Elektronin (ja positronin) spinillä on kaksi mahdollista arvoa, joita voi kutsua nimillä plus ja miinus – joskus sanotaan myös ylös ja alas. On siis olemassa plus-elektroni, miinus-elektroni, plus-positroni ja miinus-positroni.

Sittemmin on ymmärretty, että kaikilla hiukkasilla on spin, aivan kuten niillä on massa ja sähkövaraus. Hiukkasten pysyvä spin on aina kokonaisluku jaettuna kahdella. Tunnetuista alkeishiukkasista fotonien, W- ja Z-bosonien sekä gluonien spin on 1, Higgsin hiukkasen 0 ja muiden 1/2. Hiukkasia, joiden spin on kokonaisluku, sanotaan bosoneiksi. Niitä voi pinota päällekkäin miten paljon vain, ja esimerkiksi laser perustuu useiden fotonien laittamiseen samaan tilaan. Hiukkasia, joiden spin ei ole kokonaisluku, sanotaan fermioneiksi. Niitä ei voi laittaa päällekkäin samaan tilaan. Eri alkuaineet käyttäytyvät eri tavalla siksi, että niissä on ytimen ympärillä eri määrä elektroneja, jotka ovat kaikki eri tilassa. Jos elektronit olisivat bosoneita, ne kaikki vajoaisivat atomiytimen lähelle toistensa päälle, eikä tuntemaamme aineen moninaisuutta olisi. Kvanttimekaniikka ei selitä, miksi bosonit ja fermionit käyttäytyvät näin, sitä varten pitää mennä aineen teorian seuraavalle tasolle, kvanttikenttäteoriaan. Voi siis sanoa, että alkuaineiden jaksollinen järjestelmä perustuu kvanttikenttäteoriaan.

Diracin löytämät plus- ja miinuselektronit liittyvät tähän siten, että hiukkasella on pysyvän spin-arvon lisäksi muuttuva spin. Spin-1/2 hiukkasille se voi olla +1/2 tai –1/2, fotonille ja gluonille +1 tai –1, ja W- ja Z-bosonille +1, 0 tai –1. Higgsin hiukkaselle se on aina 0. Toisin kuin hiukkasen massa, spin voi siis saada eri arvoja. On tietysti tuttua, että hiukkasilla on ominaisuuksia, joiden arvo vaihtelee, esimerkiksi paikka ja liikemäärä. Mutta spin on siitä erityinen, että sillä on vain muutama mahdollinen arvo. Klassisessa fysiikassa ei ole vastaavaa ilmiötä, mutta kvanttimekaniikassa sama pätee pyörimismäärään.

Jos elektroni kiertäisi ydintä klassisen fysiikan mukaisesti, niin se voisi olla millä tahansa etäisyydellä, aivan kuten planeetat Auringon ympärillä. Kvanttimekaniikan mukaan kuitenkin vain tietynlainen pyöriminen on mahdollista, ja erilaiset pyörimistilat voi luetteloida kokonaisluvuilla. (Oikeastaan elektronit eivät kierrä protonia, koska niillä ei ole määrättyä paikkaa, mutta ei mennä siihen tässä!) Sama pätee myös liikkeeseen Auringon ympäri, mutta koska sallittujen ratojen erot ovat hiukkasfysiikan skaalaa, tällä ei ole käytännön merkitystä. Spin käyttäytyy muutenkin samalla tavoin kuin pyörimismäärä, ja joskus sitä on kuvailtu hiukkasen sisäiseksi pyörimiseksi (mihin englannin sana spin viittaakin). On kuin elektroni olisi pikkuhyrrä, joka voi kiertää oikealle tai vasemmalle aina samaa tahtia.

Spinin voi havaita sitä kautta, että se kytkeytyy magneettikenttään. Jos lähettää elektroneja magneettikentän läpi, niiden rata taipuu kahteen eri suuntaan sen mukaan onko spin +1/2 vai –1/2. Lisäksi magnetismi pohjaa spiniin: aineiden erilaiset magneettiset ominaisuudet selittyvät sillä, että elektronit ovat kasautuneet eri tavoin ydinten ympärille ja atomit eri tavoin isoiksi kokonaisuuksiksi, kuten rautapalkeiksi.

Spin löydettiin puhtaasti teoreettisten tarkastelujen myötä pohdittaessa kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian yhteensovittamista, ja se on yksittäisen hiukkasen tapauksessa arjesta kovin etäällä. Silti spin on aivan keskeinen asia aineen ominaisuuksien ymmärtämisessä. Sen lisäksi, että ilman sitä ei ole mahdollista käsittää alkuaineiden jaksollista järjestelmä eikä harjoittaa nykykemiaa, siihen liittyvä magnetismi on myös kirjaimellisesti modernin elektroniikan ytimessä. On mahdotonta etukäteen tietää, mitä jää haaviin teoreettiselle tutkimusmatkalle lähdettäessä.