Kosmokseen kirjoitettua

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.

Lapset ja kertomukset

12.9.2016 klo 17.19, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun Kirkkonummen komeetan tilaisuudessa tiistaina 20.9. kello 18.30 aiheesta ”Kvanttivärähtelyjen lapset: kosminen inflaatio ja rakenteen synty”.

Puhun Tiedekulmassa Suomen luonto –lehden tilaisuudessa perjantaina 21.10. kello 15.30 aiheesta ”Miten kertoa luonnontieteistä kaikille?”. Esitystäni seuraa muidenkin puheita samasta aiheesta.

---

Kauneusvirheen korjaaminen

31.8.2016 klo 18.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kun CERNin LHC-kiihdytin käynnistyi vuonna 2009, fyysikot saattoivat olla varmoja, että haaviin jää jotain merkittävää. Hiukkasfysiikan Standardimalli ei toimi LHC:n luotaamilla energioilla ilman Higgsin hiukkasta. Niinpä oli selvää, että LHC löytää Standardimallin Higgsin hiukkasen, jotain ennestään tuntematonta tai sekä että. Tylsin vaihtoehto voitti: Higgs löytyi, mutta mistään Standardimallin tuonpuoleisesta ei ole näkynyt jälkeäkään.

Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa on varmasti olemassa ainakin siksi, että Standardimalli ei pysty selittämään aineen ja antiaineen välistä eroa, eli baryogeneesiä, eikä pimeää ainetta. (Eikä myöskään neutriinojen massoja, joista on annettu Nobelin palkintojakin.) Pitkään myös ajateltiin, että kosmiseen inflaatioon tarvitaan jokin uusi kenttä, mutta nyt näyttää siltä, että Higgs pystyy hoitamaan homman.

Yleensä ajatellaan, että Standardimallin tuonpuoleinen fysiikka se on pysynyt piilossa siksi, että se liittyy raskaisiin hiukkasiin, joiden tuottamiseen tarvitaan korkeita energioita. Maailma on rakentunut hierarkisesti siten, että pienempään mittakaavaan ja massiivisempiin hiukkasiin käsiksi pääseminen edellyttää energian tikapuilla nousemista: atomeja voi hajottaa tulitikulla, mutta atomiydinten rikkomiseen tarvitaan raskaampaa kalustoa, ja kvarkkien näkeminen ydinten sisällä vaatii niiden iskemistä toisiinsa kiihdyttimillä.

Mutta on toinenkin mahdollisuus: ehkä hiukkaset eivät ole jääneet näkemättä siksi, että ne ovat raskaita, vaan siksi, että ne vuorovaikuttavat heikosti. Tällöin baryogeneesin ja pimeän aineen voisi selittää vetoamatta Standardimallia korkeampaan energiaskaalaan. Tämä on perusajatus Takehiko Asakan ja Mikhail Shaposhnikovin ehdotuksessa nimeltä nuMSM, eli neutriinojen Minimaalinen Standardimalli. Nimi lienee tarkoituksella valittu samantyyliseksi kuin MSSM, Minimaalinen Supersymmetrinen Standardimalli. MSSM on suosituin (ja ehkä yksinkertaisin) malli, joka toteuttaa idean siitä, että baryogeneesi ja pimeä aine ovat piilossa korkeammilla energioilla, ja vastaavasti nuMSM on yksinkertaisin malli, jossa vedotaan sen sijaan vuorovaikutuksen heikkouteen.

Nimen mukaisesti nuMSM:n keskeiset näyttelijät ovat neutriinoja, mutta eivät sellaisina kuin me ne tunnemme. Tavallisetkin neutriinot ovat hyvä esimerkki fysiikasta, joka on ollut piilossa vuorovaikutusten heikkouden takia. Kuten elektronit ja protonit, neutriinot ovat stabiileja, eli ne eivät koskaan hajoa. Neutriinot ovat toiseksi runsaslukuisimpia hiukkasia maailmankaikkeudessa, niitä on 83% fotonien lukumäärästä, noin miljardi jokaista protonia ja elektronia kohden, 341 kappaletta kuutiosenttimetrissä. Standardimallissa on kolmenlaisia neutriinoja, ja niistä ensimmäinen nähtiin suoraan vasta vuonna 1956, toinen 1962 ja viimeinen 2000, vaikka vihjeitä ja epäsuoria todisteita oli jo aiemmin.

Neutriinojen havaitseminen on vaikeaa, koska niillä ei ole sähkövarausta eikä värivarausta. Niinpä niitä ei voi nähdä eikä koskea, eivätkä ne ole atomiydinten rakennuspalikoita. Tavalliset neutriinot tuntevat kuitenkin Standardimallin kolmannen vuorovaikutuksen, eli heikon vuorovaikutuksen. Sen kautta niitä syntyy ydinten hajoamisissa, mitä kautta niistä alun perin saatiinkin vihiä.

Koska neutriinot ovat näkymättömiä massiivisia hiukkasia, niiden uumoiltiin aikoinaan selittävän pimeän aineen, mutta on osoittautunut, että ne ovat siihen liian kevyitä. (Baryogeneesiin niistä ei ole mitään apua.) nuMSM:ssä Standardimalliin lisätään kolmen tutun rinnalle kolme uutta neutriinoa, jotka ovat Higgsin hiukkasta kevyempiä. Hiukkaskiihdyttimistä ja kevyiden alkuaineiden synnystä kuitenkin tiedetään, että niillä ei tällöin voi olla heikkoja vuorovaikutuksia, muuten ne olisi jo havaittu. Koska uudet neutriinot eivät tunne mitään Standardimallin vuorovaikutuksista, niitä sanotaan steriileiksi.

Steriilit neutriinot eivät ole kummallinen ajatus. Standardimallissa kaikista ainehiukkasista paitsi neutriinoista on tavallaan neljä versiota. Voi ajatella, että hiukkasen lisäksi on olemassa antihiukkanen, ja toinen tekijä kaksi liittyy ominaisuuteen nimeltä spin, josta ei tässä sen enempää. Jos neutriinoillekin antaa kaksi uutta komponenttia, niin uudet komponentit voi käsittää uusiksi hiukkasiksi, steriileiksi neutriinoiksi. Neutriinoiden massojen antamisen myötä ne tulevatkin kuvaan varsin luontevasti. Itse asiassa Standardimalliin olisi kenties alun perinkin pitänyt ottaa mukaan neutriinoiden massat ja steriilit neutriinot.

nuMSM:ssä kevyin steriili neutriino on vastuussa pimeästä aineesta, ja kaksi muuta selittävät aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan. Vaikka steriilit neutriinot eivät tunne Standardimallin vuorovaikutuksia, ne voivat muuttua tavallisiksi neutriinoiksi ja toisin päin. Baryogeneesi toimii nuMSM:ssä siten, että kun steriilit neutriinot muuttuvat varhaisessa maailmankaikkeudessa tavallisiksi neutriinoiksi, niin syntyy hieman enemmän neutriinoja kuin antineutriinoja, ja tämä ero sitten siirtyy Higgsin kentän jäätyessä muulle aineelle, ja lopulta protoneille. Mekanismin käytäntö on hyvin sotkuinen, joten ei mennä siihen tässä.

Tämä herättää myös kysymyksen siitä, että eikö tavallisten neutriinojen muuttumista steriileiksi sitten ole nähty kokeissa? Neutriinoja kuitenkin tutkitaan nykyään tarkasti, kuten surullisenkuuluisa OPERA teki tunnetuksi. Tällaisesta muuttumisesta on itse asiassa ollut joitakin ristiriitaisia vihjeitä, mutta ilmiötä ei ole koskaan luotettavasti havaittu, joten neutriinojen ja steriilien neutriinojen muutostodennäköisyyden pitää olla erittäin pieni.

Steriili neutriino voi myös hajota tavalliseksi neutriinoksi ja fotoniksi. Koska maailmankaikkeudessa on paljon pimeä ainetta, niin taivaalla pitäisi näkyä hajoamisesta tulevia röntgensäteitä. Jotta nuMSM toimisi, mutta kevyintä steriiliä neutriinoa ei olisi vielä näkynyt, sen massan pitää olla noin satatuhatta kertaa protonin massaa pienempi, ei enempää eikä vähempää. Koska sen hajoamisessa syntyvän röntgensäteen energia on puolet sen massaan liittyvästä energiasta, tiedetään melko tarkasti mitä etsiä. Kuten muiden pimeän aineen kandidaattien annihilaation kanssa, ongelmana on kuitenkin se, että taivaalla on kaikenlaista säteilyä, eikä ole yksinkertaista setviä, mikä siitä on peräisin pimeästä aineesta ja millä on arkisempi alkuperä.

Steriilien neutriinoiden näkeminen hiukkaskiihdyttimissä on vaikeaa, koska ne vuorovaikuttavat niin heikosti. Sitä varten tarvitaan kokeita, joissa ei panosteta törmäysten energiaan vaan lukumäärään, ja jotka on suunniteltu havaitsemaan steriilien neutriinoiden signaaleja, jotka ovat erilaisia kuin raskaiden hiukkasten, joihin LHC keskittyy. Mutta niitä voi etsiä myös galaksien muotoja tutkimalla.

Jos pimeä aine on nuMSM:n steriilejä neutriinoita, niin se saattaa selittää, miksi maailmankaikkeudessa nähdään vähemmän kääpiögalakseja kuin mitä simulaatioiden perusteella odottaisi. Steriilit neutriinot voivat auttaa asiaa, koska ne liikkuvat nopeasti ja pyyhkivät kääpiögalaksien siemeninä toimivia klimppejä aineen jakaumassa pois ennen kuin ne ehtivät kasvaa. Ne voisiat samaan tapaan tasoittaa galaksien keskustojen tiheyttä, mikä vaikuttaa sekin olevan todellisuudessa pienempi kuin simulaatioissa.

Tähän on tosin laitettava sellainen iso varaus, että ilmeisesti nämä piirteet on mahdollista selittää ilman mitään ylimääräistä fysiikkaa, kunhan vain tekee realistisempia simulaatioita. Mutta asian voi kääntää toisin päin: mitä vähemmän tilaa galakseissa on ylimääräiselle sotkemiselle, sitä helpompi on havaita tai sulkea pois uusia hiukkasia, jotka vaikuttaisivat niihin.

nuMSM:n steriili neutriino taitaa olla lempikandidaattini pimeäksi aineeksi. nuMSM on hyvin motivoitu, yksinkertainen ja vieläpä kokeellisesti lähiaikoina varmennettavissa tai poissuljettavissa. Siinä missä supersymmetriassa ja teknivärissä otetaan mukaan uudenlainen teoreettinen idea, jolla on kauaskantoisia seurauksia, kolmen steriilin neutriinon lisäämistä voi pitää vain Standardimallin kauneusvirheen korjaamisena. nuMSM:ssä tästä pienestä lisästä otetaan kaikki irti.

Hiukkasfysiikassa on totuttu siihen, että korkeammilla energioilla tulee aina vastaan paljon uutta fysiikkaa, esimerkiksi suunnitelmat seuraavista kiihdyttimistä perustuvat siihen odotukseen, että niistä avautuu uusi rikas ilmiömaailma. nuMSM menee eri suuntaan, eikä lupaile keidasta seuraavan kummun taakse. Jos tavoitteena on havaintojen selittäminen, niin nuMSM on kelpo paketti, mutta kun halutaan käyttää havaintoja todellisuuden ymmärtämiseen syvemmällä tasolla, niin se tuntuu pettymykseltä. Eräs kollegani totesikin, että nuMSM on hieno idea, ja hän todella toivoo, että se ei pidä paikkaansa.

---

Fysiikkaa runoilijoille

30.8.2016 klo 18.31, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luennoin tänä syksynä Helsingin yliopistolla kurssin Fysiikkaa runoilijoille. Luennot ovat päärakennuksen salissa 12, alkaen ensi viikon tiistaina 6.9. kello 12. Kari Enqvist luennoi vuonna 2004 samannimisen kurssin. Tämä on variaatio samasta teemasta, eräänlainen opastettu retki fysiikan maailmaan.

Kyseessä on humanistisen tiedekunnan kurssi, joka on suunnattu heille, jotka eivät ole luonnontieteilijöitä eivätkä matemaatikkoja, mutta haluavat saada kuvan fysiikan käsitteistä, ilmiöistä ja maailmankuvallisesta merkityksestä. Aiheisiin kuuluu Newtonin klassinen mekaniikka, suppea suhteellisuusteoria, kvanttimekaniikka, kosmologia, kvanttikenttäteoria, hiukkasfysiikka ja yritykset kohti kaiken teoriaa. Tieteen historiaa ja filosofiaakin vähän käsitellään, mutta kyseessä on fyysikon kuvaus fysiikan teorioiden kehityksestä ja sisällöstä, ei kattava tieteenhistoriallinen katsaus.

Yliopistojen niin kutsutun rakenteellisen kehittämisen takia ensi viikolla alkavien humanistisen tiedekunnan kurssien tietoja ei vielä ole yliopiston sivuilla, joten sanaa sopii levittää asiasta mahdollisesti kiinnostuneille

---

Sattuman lapset

29.8.2016 klo 16.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun sunnuntaina 4.9. kello 14 Oulun vapaa-ajattelijoiden tilaisuudessa otsikolla ”Sattuman lapset: monimutkaisuuden kasvu maailmankaikkeudessa”. Tieteenfilosofian tutkija Inkeri Koskinen puhuu samassa tilaisuudessa aiheesta ”Historiaa ja näennäishistoriaa”. Tilaisuuteen on vapaa pääsy, mutta tarjoilun takia pyydetään ilmoittamaan tulosta etukäteen osoitteeseen tok@penguincave.org.