Kosmokseen kirjoitettua

Kaikenlaisia kertomuksia kosmologiasta

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Kehykset ja marssi

11.4.2017 klo 17.06, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

Kaikki tai ei mitään

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Ketjun viimeinen lenkki

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

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

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

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

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

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

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

---

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.