Kosmokseen kirjoitettua

Kvanttivärähtelyjen lapset ja gravitaatioaallot

8.3.2017 klo 16.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 21.3. kello 18.00 Ursan kevätkokouksen alkupalana Tieteiden talon (Kirkkokatu 6) salissa 104 aiheesta Kvanttivärähtelyjen lapset: kosminen inflaatio ja Higgsin kenttä. Tiivistelmä on seuraava:

Kaikki maailmankaikkeuden rakenne galaksien rihmoista DNA:han (ja siitä alaspäin) on tiettävästi syntynyt kvanttivärähtelyistä kosmisessa inflaatiossa sekunnin ensimmäisen murto-osan aikana. Esitelmässä käydään läpi sitä, miten inflaatio kehitetiin, mistä siinä on kyse ja miten sen voisi varmentaa.

Torstaina 23.3. kello 18.30 entisessä Kauppakorkean rakennuksessa LIGO-gravitaatioaaltoryhmän jäsen Matthew Evans puhuu gravitaatioaalloista osana Fysiikan päiviä. Puhe on tarkoitettu suurelle yleisölle ja siihen on vapaa pääsy. LIGO:lle povataan tämän vuoden Nobelin palkintoa, ja tämä on poikkeuksellinen tilaisuus kuulla gravitaatioaalloista yhdeltä ryhmän kärkinimistä.

Päivitys (14/03/17): Evansin puheen päivämäärä korjattu. Puheesta on nyt Facebook-tapahtuma.

---

Yhdistymisen määräyksiä

26.2.2017 klo 19.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kurssin Fysiikkaa runoilijoille aiheista on tällä kertaa vuorossa kvanttikenttäteoria. Aiemmissa osissa on käsitelty klassista mekaniikkaa ja uudenlaista kauneuden muotoa, suppeaa suhteellisuusteoriaa ja vääriä ideoita, yleistä suhteellisuusteoriaa ja suurta järjettömyyttä sekä kvanttimekaniikkaa ja ymmärryksen rajoja.

Viime vuosisadan alussa kehitetyt kvanttimekaniikka ja suppea suhteellisuusteoria laajensivat klassista fysiikkaa eri suuntiin. Kvanttimekaniikka muutti käsityksen aineesta ja siitä, että todellisuus olisi määrätty, suppea suhteellisuusteoria yhdisti ajan ja avaruuden aika-avaruudeksi. Suppealla suhteellisuusteorialla ei ole aineesta juuri sanottavaa, eikä toisaalta kvanttimekaniikka koskenut klassisen mekaniikan käsitykseen absoluuttisesta ajasta ja avaruudesta.

Paul Dirac koetti jo 1920-luvulla sovittaa kvanttimekaniikkaa yhteen suppean suhteellisuusteorian kanssa ja löysi yrityksessä spinin ja antihiukkaset. Teoriat saatiin kuitenkin tyydyttävästi liitettyä vasta vuonna 1948, kun Richard Feynman, Julian Schwinger ja Sin’ichirō Tomonaga muotoilivat ”valon ja aineen ihmeellisen teorian”, kvanttielektrodynamiikan eli QED:n. QED oli ensimmäinen kvanttikenttäteoria.

Aiemmin erillisinä pidettyjen asioiden liittäminen yhtenäisteorioissa myös yleensä paljastaa uusia piirteitä. Kun James Maxwell 1860-luvulla liitti sähkön ja magnetismin sähkömagnetismiksi, hän yllättäen osoitti valon olevan sähkömagneettista aaltoliikettä ja ennusti näkymättömän valon.

Kvanttimekaniikka oli sumentanut käsitystä siitä, mitä hiukkaset ovat. QED selvensi tilannetta: hiukkaset eivät ole perustavanlaatuisia rakennuspalikoita, vaan kentät. Maxwellin sähkömagnetismi oli tuonut kentät hiukkasten rinnalle, QED:ssä niin aine kuin valo koostuu kentistä, hiukkaset ovat vain kenttien paikallisia tihentymiä.

QED:n tärkein uusi piirre oli se, että ensimmäistä kertaa teoria määräsi alusta alkaen, millaisia vuorovaikutuksia maailmassa on.

Klassisen mekaniikan ytimessä on Newtonin toinen laki. Se kertoo, miten kappale liikkuu, kun siihen kohdistuu tietty voima. Newtonin teoria ei kuitenkaan kerro, millaisia voimia kappaleiden välillä on, ne pitää erikseen keksiä tai määrittää kokeellisesti. Schrödingerin yhtälöllä on kvanttimekaniikassa sama rooli: se kertoo, miten hiukkasen aaltofunktio leviää avaruudessa, kun se on tietynlaisessa potentiaalissa. Potentiaali, kuten voima, on tapa kuvata hiukkasten vuorovaikutusta, eikä kvanttimekaniikka kerro, millaisia potentiaaleja on olemassa.

Kvanttikenttäteoriassa on toisin, sen rakenne rajoittaa tiukasti sitä, millaiset vuorovaikutukset ovat mahdollisia. QED:ssä on vain yksi mahdollinen perusvuorovaikutus. Se kertoo kaiken, mitä elektronit ja fotonit voivat tehdä keskenään, kuten valon siroaminen elektroneista, elektronien keskinäinen hylkiminen, elektronien ja positronien annihilaatio tai fotonien muuttuminen elektroni-positroni -pareiksi.

Lisäksi kvanttikenttäteoria rajoittaa sitä, millaisia hiukkasia on olemassa. QED sanelee fotonin ominaisuudet tismalleen. QED kuvasi vain fotoneita ja elektroneja (ja muita sähköisesti varattuja hiukkasia) ja sähkömagneettista vuorovaikutusta. Kun kvanttikenttäteoriaa on laajennettu kuvaamaan kaikkea ainetta ja vuorovaikutuksia (gravitaatiota lukuun ottamatta), niin se on rajoittanut myös ainehiukkasten ominaisuuksia ja olemassaoloa. Tämä helpottaa teorioiden rakentamista: mitä enemmän rajoitteita on, sitä helpompi on valita oikea suunta, ja mitä vähemmän valinnanvapautta teorian muotoilussa on, sitä ennustusvoimaisempi se on.

On mahdollista rakentaa erilaisia kvanttikenttäteorioita. Ensin valitaan symmetria, se kertoo, millaisia välittäjähiukkasia on olemassa sekä rajoittaa mahdollisia ainekenttiä ja niiden vuorovaikutuksia. Esimerkiksi hiukkasfysiikan Standardimallin rakenne vaatii, että elektronilla on parina neutriino.

Suppea suhteellisuusteoria eteni kvanttikenttäteorian lisäksi myös toiseen suuntaan yleisen suhteellisuusteorian myötä, kun aika-avaruudesta tuli aktiivinen toimija. Yleistä suhteellisuusteoriaa ja kvanttikenttäteoriaa ei ole vielä saatu kokonaan yhdistettyä siten, että myös aika-avaruutta osattaisiin kuvata kvanttifysiikan keinoin, vaikka kosmisessa inflaatiossa onkin päästy alkuun. Kvanttikenttäteoriaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa kuitenkin käytetään yhdessä siten, että edellinen kertoo, millaista ainetta on ja jälkimmäinen sen, miten aika-avaruus reagoi aineeseen, etenkin miten maailmankaikkeus laajenee. Tämä kuuluu kosmologiaan, joka onkin Fysiikkaa runoilijoille -sarjan seuraava aihe.

Rajaton tiede

10.2.2017 klo 18.18, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Joukko tähtitieteilijöitä ja kosmologeja, minä heidän joukossaan, on sitoutunut boikotoimaan tieteellisiä konferensseja Yhdysvalloissa kunnes niihin on mahdollista päästä kansalaisuudesta riippumatta. Vetoomuksella Science Undivided on nyt yli 600 allekirjoittajaa, enimmäkseen tähtitieteestä ja kosmologiasta, mutta tieteilijät kaikilta aloilta on kutsuttu mukaan.

Syynä on Yhdysvaltojen uuden hallituksen laittama täydellinen maahantulokielto seitsemän maan kansalaisille. Kiellon oli määrä koskea myös kaksoiskansalaisia, mukaan lukien 11 000 suomalaista. Tuomioistuimet ovat toistaiseksi pysäyttäneet kiellon toimeenpanon muun muassa sillä perusteella, että sen tarkoituksena on syrjiä muslimeita. Tilanteen kehitys on vielä epäselvä.

Boikotin laittoi alulle Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen tähtitieteilijä Till Sawala, lehdistötiedotteessamme hän selittää asiaa näin:

”Toivon, että aloitteemme omalta pieneltä osaltaan auttaa saamaan kiellon kumottua. Mutta käytännön kysymyksen lisäksi minulle on kyse henkilökohtaisesta moraalisesta kysymyksestä: jos ilmoittautuisin nyt konferenssiin Yhdysvalloissa, minusta tuntuisi kuin ottaisin osaa toisten poissulkemiseen.”

Kiellon vaikutus tieteilijöihin ei ole teoreettinen, sillä oli käytännön seurauksia ensimmäisestä päivästä lähtien. Olemme keränneet sivuillemme joidenkin tutkijoiden tarinoita. Helsingin yliopistossa työskentelevä kollegani Venus Keus kertoo seuraavaa:

”Postdoc-tutkijana on hyvin tärkeää, että teen yhteistyötä tutkijoiden kanssa ympäri maailmaa. Olen työskennellyt hyvin pitkään ja hyvin ahkerasti päästäkseni siihen, missä olen nyt. Työskenteleminen University of California Santa Cruzin prof. Howard Haberin, maailmankuulun fyysikon, kanssa on ollut unelmani, ja kaikki oli valmiina matkaa varten. Unelma mureni kun sain sähköpostin Yhdysvaltojen suurlähetystöstä, jossa viisumitapaamiseni peruttiin. Niin pahalta kuin minusta tuntuukin, tiedän, että tilanne on vielä pahempi niille, joiden elämä on Yhdysvalloissa ja jotka eivät pääse palaamaan sinne.”

Helsingin Sanomat ja Kansan Uutiset ovat uutisoineet boikotista, samoin Science. Nature otti boikottimme -ja toisen paljon enemmän allekirjoituksia keränneen boikotin- niin vakavasti, että omisti pääkirjoituksen niiden arvostelemiseen. (Sivumennen sanoen, Nature väitti virheellisesti Till Sawalan sanoneen, että tavoitteenamme olisi estää uusien maiden lisääminen kieltolistaan. Tosiasiassa pyrimme pääsemään siitä kokonaan eroon. Korjauspyynnön jälkeen lehti on muuttanut muotoilua niin, että se on vain harhaanjohtava, ei enää kirjaimellisesti virheellinen.)

Naturen mukaan yhdysvaltalaisten konferenssien boikotoiminen haittaa lähinnä yhdysvaltalaisia tutkijoita eikä ”tutkimusten mukaan” boikoteista ole hyötyä. Nature viittaa yhteen tutkimukseen, jonka se väittää osoittavan seuraavaa:

”Etelä-Afrikan akateeminen boikotti 1980-luvulla, jonka tarkoituksena oli vastustaa apartheidia, ei näytä haitanneen eteläafrikkalaisia yrityksiä tai hallitusta ollenkaan. Sen sijaan se loi kuiluja eteläafrikkalaisten ja muun maailman tutkijoiden välille.”

Naturen väite on väärin mielenkiintoisilla tavoilla, jotka valaisevat akateemisten boikottien merkitystä ja suhtautumista niihin. (Olen aiemmin kirjoittanut Etelä-Afrikan ja Israelin akateemisista boikoteista tarkemmin.)

Tutkimus, johon Nature viittaa, käsittelee sijoitusten poisvetämistä Etelä-Afrikasta. Tutkimuksen mukaan sillä ei ollut suurta vaikutusta Etelä-Afrikan talouteen. Pitipä johtopäätös paikkansa tai ei, tutkimus ei käsittele akateemisia boikotteja. Sen kysymyksenasettelulla ja tuloksilla ei ole mitään tekemistä akateemisten boikottien kanssa, eikä akateemisten boikottien tavoitteena ole taloudellinen haitta.

Naturea pidetään, ainakin joillakin luonnontieteen aloilla, huippulehtenä ja siksi pääkirjoitus on kuvaava esimerkki siitä, miten erilaiset argumentoinnin standardit ovat politiikassa kuin tieteessä. Nature tuskin julkaisisi tieteellistä artikkelia, jonka keskeisiä väitteitä perustellaan tutkimuksella, jotka käsittelee aivan muuta aihetta (ja joka esittää positiivisen tuloksen negatiivisena – alla tarkemmin ”kuiluista”).

Luonnontieteilijät kehittyvät opiskellessaan ja tutkimusta tehdessään analyysin ammattilaisiksi, jotka ovat oikeutetusti ylpeitä siitä, että he osaavat keskittyä ongelmien oleellisiin piirteisiin ja muotoilla selkeitä kysymyksiä. Analyysi tarvitsee kuitenkin pohjakseen sekä tietoa että ongelmaan sopivan viitekehyksen, muuten työkaluilla ei ole mitään, mihin pureutua. Lisäksi politiikka, toisin kuin fysiikka, käsittelee asioita, joista meillä on valmiiksi ennakkokäsityksiä, minkä takia tiedostamattomien asenteiden vaikutus analyysiin on verrattomasti isompi.

Tämä ei tarkoita sitä, etteivätkö tieteilijät voisi osallistua poliittiseen keskusteluun, mutta väitteiden perusteista on syytä olla yhtä huolellinen kuin täsmällisemmillä aloilla. Politiikkaan liittyvistä kysymyksistä onkin paljon raportointia ja tutkimusta, jota voi hyödyntää.

Etelä-Afrikan akateemisen boikotin vaikutuksesta on julkaistu esimerkiksi Lorraine J. Haricomben ja F.W. Lancasterin tutkimus Out in the Cold. Siitä aiemmin siteeraamani eteläafrikkalaisen akateemikon kommentti valaisee ytimekkäästi akateemisen boikotin tavoitetta ja sen saavuttamista:

”Akateeminen boikotti on tehokkaasti muuttanut akateemikkojen asenteita yliopistoissa ja katalysoinut muutosta laajemmassa yhteiskunnassa – esimerkiksi akateemikkojen kautta, jotka istuvat johtokunnissa tai päätöksentekoprosesseissa yliopiston ulkopuolella. Se on herkistänyt akateemikkoja … ajattelemaan uudelleen toimintatapaansa monissa eri yhteyksissä.”

Akateeminen boikotti pyrki luomaan eteläafrikkalaisille eristämisen tunteen. Toisin sanoen, se ”kuilun luominen eteläafrikkalaisten ja muun maailman tutkijoiden välille”, jota Nature pitää merkkinä akateemisen boikotin epäonnistumisesta, oli osoitus sen menestyksestä. (Mainittakoon, että akateeminen boikotti on vieläkin kiistelty aihe. Sitä on esimerkiksi arvosteltu siitä, että se kohdistui kaikkiin eteläafrikkalaisiin. Israelin akateeminen boikotti kohdistuukin instituutioihin, ei yksilöihin.)

Naturen väärinkäsitys akateemisesta boikotista liittyy puutteelliseen kuvaan siitä, miten politiikka toimii. Apartheid Etelä-Afrikassa (ja Israelissa nykyään) ei ollut vain hallituksen projekti, vaan sillä oli laaja kannatus sen väestönosan keskuudessa, jonka etuoikeuksia se ylläpiti. Akateeminen boikotti, kuten urheiluboikotti, pyrki horjuttamaan tuota tukea osoittamalla, että apartheidia ei hyväksytä.

Naturen argumentoinnissa on myös sellainen iso ongelma, että yhdysvaltalaisten konferenssien boikotti on hyvin erilainen kuin Etelä-Afrikan tai Israelin akateemiset boikotit. Jälkimmäisten tapauksessa maan akateeminen yhteisö tuki politiikkaa, jota boikotit vastustivat, ja se oli sen takia boikottien kohteena. Yhdysvalloissa akateeminen yhteisö ei tue maahantulokieltoa: yliopistot, tieteelliset järjestöt ja kymmenet tuhannet yksittäiset tieteilijät ovat julistaneet vastustavansa sitä.

Yhdysvaltalaisten konferenssien boikotin kohteen ei olekaan tiedeyhteisö: sen tarkoituksena on auttaa tiedeyhteisöä ja journalisteja tekemään suurelle yleisölle ja päättäjille selväksi, että maahantulokielto vahingoittaa myös Yhdysvaltoja. Kiellolla on nimittäin laaja kannatus: mielipidemittausten mukaan noin puolet kansalaisista kannattaa sitä. Toisin kuin vähemmän ehdottomat kansalaisuuteen perustuvat rajoitukset, kuten erilaiset viisumisäädökset, se ei kuitenkaan ole vakiintunutta politiikkaa, joten mielipide saattaa muuttua nopeasti, jos kiellosta osoittautuu olevan haittaa ja sitä vastustetaan.

Toisin kuin Naturen pääkirjoitus antaa ymmärtää, politiikkaa ei tehdä vain presidentin kansliassa, vaan kaikkialla yhteiskunnassa.  Boikottia tukevan yhdysvaltalaisen kollegani Rocky Kolbin sanoin: ”Meidän on oltava tieteilijöitä ilman rajoja.”

---

Raja-aitojen pystyttämistä

31.1.2017 klo 19.16, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Palaan kurssin Fysiikkaa runoilijoille aiheisiin. Olen aiemmin käynyt läpi klassisen taivaanmekaniikan paljastamaa uudenlaista kauneuden muotoa, suppean suhteellisuusteorian syrjäyttämää eetteriä esimerkkinä järkevästä mutta väärästä ideasta sekä sitä, miten yleinen suhteellisuusteoria lopetti Newtonin tuomitseman suuren järjettömyyden. Nyt on vuorossa kvanttimekaniikka ja ymmärryksen rajat.

Fysiikka on kasvattanut ymmärrystämme maailmasta verrattomasti. Sen lisäksi, että se on vastannut moniin ihmisiä pitkään askarruttaneisiin kysymyksiin, fysiikka on avannut ovia uusiin ilmiöihin, joita ei aiemmin tultu edes ajatelleeksi. Usein ei ole lainkaan selvää, mitä tietty fysiikan teoria pystyy selittämään. Esimerkiksi Isaac Newtonin gravitaatioteorian mukainen Aurinkokunta ei ole stabiili, vaan planeetat voivat ajautua radoiltaan toistensa häiritseminä. Newton piti tätä ongelmana, koska oli vaikea käsittää miten planeetat voisivat säilyttää ratansa pitkiä aikoja, ja hän sysäsi ratkaisun Jumalan harteille. Nykyään tiedämme, että Aurinkokunta on käynyt läpi monia muodonmuutoksia, ja planeettojen siirtyminen välillä lähemmäs ja sitten kauemmas Auringosta on keskeinen osa Aurinkokunnan kehitystä. Niinpä ratojen epävakaus on osoitus Newtonin teorian menestyksestä, ei sen puutteista.

Fysiikan kehitys ei ole ainoastaan laajentanut ymmärrystämme, se on myös rajannut joitakin alueita ymmärryksen ulottumattomiin osoittamalla, että jotkut kysymykset eivät ole mielekkäitä.

Klassisessa mekaniikassa aine koostuu hiukkasista, jotka ovat pieniä jyväsiä, joilla on tietty paikka ja nopeus. Tästä lähtökohdasta aineen ymmärtämisessä on kyse vain siitä, että tiedetään paremmin, millaisia voimia hiukkaset kohdistavat toisiinsa ja mitä siitä seuraa. Klassinen sähkömagnetismi järkytti tätä kuvaa jo 1800-luvulla tuomalla mukaan sähkömagneettiset kentät, joita ei voi kuvata hiukkasten avulla. Kvanttimekaniikka meni vielä pidemmälle: se ei vain lisännyt uutta, vaan kajosi myös hiukkasten luonteeseen, joka luultiin jo tunnetuksi.

Kvanttimekaniikan mukaan hiukkasilla ei ole määrättyä paikkaa eikä nopeutta, ainoastaan tietty todennäköisyys olla jossain paikassa ja liikkua jollain nopeudella. Mitä tarkemmin paikan todennäköisyys on keskittynyt johonkin alueeseen (eli mitä luultavammin hiukkanen löytyy sieltä), sitä laajemmalle nopeuden todennäköisyys on levinnyt. Tämä pitää paikkansa myös päinvastoin: mitä tarkemmin määrätty kappaleen nopeus on, sitä epämääräisempi sen paikka on. Tämä todellisuuden piirre tunnetaan nimellä Heisenbergin epämääräisyysperiaate. Joskus kuulee käytettävän ilmaisua Heisenbergin epätarkkuusperiaate, mutta kyse ei ole siitä, että hiukkasen ominaisuuksia ei tiedettäisi tarkasti, vaan se, että niistä ei ole enempää tiedettävää. Kysymykset ”missä hiukkanen todella on” ja ”mitä rataa hiukkanen todella liikkui” (esimerkiksi kaksoisrakokokeessa) eivät merkitse mitään.

Kvanttimekaniikka sumentaa käsityksen hiukkasesta. Jos hiukkanen ei ole pieni jyvänen, jolla on tietty paikka, niin mikä se sitten on? Mitä on se, mitä havaitaan tietyllä todennäköisyydellä? Yksi syy asian hahmottamisen vaikeuteen on se, että kvanttimekaniikassa hiukkasta kuvaava aaltofunktio on hyvin erilainen malli aineesta kuin jyvänen tai aalto, ja tuntuu siksi vieraalta. Mutta kvanttimekaniikan pystyttämät raja-aidat ymmärrykselle ovat perustavanlaatuisempia. Vieläkään ei ymmärretä, miten tuntemuksemme siitä, että todellisuus on määrätty seuraa kvanttimekaniikasta. Havaitseminen ja oleminen ovat klassisessa fysiikassa niin ilmeisiä asioita, että niistä ei ole paljon sanottavaa, mutta kvanttimekaniikassa ne ovat osoittautuneet kaikkein hankalimmaksi kysymykseksi. Ongelman vaikeutta kuvaa se, että joskus kvanttimekaniikka muotoillaan pelkästään havaintojen kautta, sivuuttaen kysymykset niiden taustalla olevasta todellisuudesta.

Kvanttiteorian seuraava porras, kvanttikenttäteoria, selventää hiukkasten luonnetta kenttien tihentyminä, mutta epämääräisyyden selitys jää silti uupumaan. On epäselvää, tarvitaanko siihen uutta teoriaa, vai selittyykö se kvanttifysiikan monimutkaisten seurauksien hahmottamisen kautta kuten planeettojen ratojen kehitys klassisessa mekaniikassa. Vain tutkimus voi kertoa sen, mikä on ymmärrettävissä.

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.”