Kosmokseen kirjoitettua

Rajankäyntiä

23.12.2015 klo 00.46, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Päätin edellisen merkinnän sanomalla, että jos LHC:n näkemä kummajainen ei ole vain kohinaa, niin ”ensi vuonna juhlitaan Standardimallin hautajaisia”. Tästä saattaa tulla sellainen vaikutelma kuin uuden löytäminen tarkoittaisi Standardimallin hylkäämistä, vaikka kyse on sen laajentamisesta. Tämä onkin hyvä tilaisuus selventää teorioiden pätevyysalueen merkitystä.

Hiukkasfysiikan Standardimalli on perusajatuksiltaan yksinkertainen ja matemaattiselta rakenteeltaan hienostunut teoria, joka on kuvannut kiihdytinhavaintoja oikein jo neljä vuosikymmentä. (Neutriinojen muuttumisen toisikseen puuttuminen on pieni kauneusvirhe, joka on helppo korjata.) Se on 1900-luvun fysiikan menestystarina, josta on myönnetty lukuisia Nobelin palkintoja. Standardimalli on myös varmasti väärin.

Vaikka Standardimalli on maan päällä selittänyt kaikki havainnot, taivaalla näkyy ainakin kaksi asiaa, jotka siitä puuttuvat. Standardimalli ei sisällä pimeää ainetta eikä selitä sitä, miksi ainetta on enemmän kuin antiainetta.

Mutta Standardimallilla on toinenkin ongelma: se ei ole matemaattisesti ristiriidaton rakennelma. Korkeilla energioilla tapahtuvien hiukkastörmäysten tarkastelu osoittaa, että Standardimalli toimii vain, jos Higgsin hiukkanen ei vuorovaikuta itsensä kanssa. Higgsin kenttä voi kuitenkin antaa hiukkasille massat vain, jos Higgs vuorovaikuttaa itsensä kanssa. Koska hiukkasilla on massat, saadaan ristiriita. Karkeasti voidaan sanoa, että Standardimalli ei ole kokonainen matemaattinen rakennelma, se on vain kokoelma laskusääntöjä, jotka menevät suurilla energioilla ristiin.

Tämä voi kuulostaa huolestuttavalta. Fysiikassa on kuitenkin tavoitteena ymmärtää todellisuutta yhä syvemmin ja mallintaa havaittua maailmaa, ja matematiikka on tässä vain työkalu. Matematiikassa etsitään täsmällisiä yleispäteviä tuloksia, fysiikassa pyritään kuvaamaan tarkasti olosuhteita tietyllä rajatulla pätevyysalueella. Keskeistä ei ole se, onko teoria matemaattisesti ristiriidaton, vaan onko se fysikaalisesti tarkka, eli antaako se pätevyysalueellaan luotettavia tuloksia. Pätevyysalue voi olla hyvin laaja, kuten Standardimallin ja yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa, mutta se on rajallinen.

On tosin mahdollista, että on olemassa kaiken teoria, jonka pätevyysalue on rajaton. Mutta vaikka kaiken teoria olisi kädessä, niin sen soveltamisessa havaintojen ymmärtämiseen käytettäisiin kuitenkin siitä vain pientä osaa, jolla voisi olla monimutkaisia emergenttejä piirteitä. Kaiken teorian löytyminen ei siis fysiikan tekemistä juuri muuttaisi.

Standardimalli on approksimaatio jonkin isomman teorian meille näkyvästä pienestä nurkasta. Ydinfysiikan esimerkki valaisee asiaa: ydinfysiikka on approksimaatio osasta Standardimallia. Standardimallissa on hiukkasia nimeltä kvarkit, jotka sitoutuvat yhteen protoneiksi, neutroneiksi ja muiksi yhdistelmähiukkasiksi. Protonit ja neutronit vastaavasti sitoutuvat atomiytimiksi. Ydinfysiikka kuvaa protonien ja neutronien vuorovaikutusta, ja se on melko sotkuinen kyhäelmä.

Ydinfysiikka ei ole ristiriidaton teoria, ja ongelmia tulee vastaan etäisyyksillä, jotka ovat protonien ja neutronien kokoa pienempiä. Jos ei tietäisi Standardimallista, niin voisi murehtia näitä ydinfysiikan matemaattisia puutteita. Standardimallin kannalta niissä ei ole mitään ongelmaa: protonien ja neutronien sisärakenteen ymmärtämiseksi pitää käsitellä kvarkkeja, joita ydinfysiikka ei tunne. Sillä, mitä teoria sanoo asioista pätevyysalueensa ulkopuolella, ei ole mitään merkitystä.

Kun Standardimalli esitettiin 1970-luvulla, sen puutteiden odotettiin tulevan pian ilmi, ydinfysiikan tavoin. Vuosikymmenten kiihdytinhavainnot ovat kuitenkin osoittaneet Standardimallin olevan suorastaan kohtuuttoman tarkka kuvaus maailmasta, eikä LHC:kään ei ole vetänyt verhoa sen taustalla olevan rakenteen yltä. Energia, jolla Standardimallin ristiriitaisuus on pakko kohdata, on paljon isompi kuin se, mihin LHC yltää, joten voi olla, että Standardimallin pätevyysalueen raja ei tule kiihdyttimissä vastaan. Jotkut hiukkasfyysikot ovatkin siirtymässä pohtimaan sitä, olisiko Standardimallin rakenteessa jotakin erityisen merkittävää sen sijaan, että pitäisivät sitä vain astinlautana juuri havaintojen ulottumattomissa oleviin teorioihin.

---

Toisen kauden kummajainen

21.12.2015 klo 17.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime tiistaina 15. joulukuuta CERNin LHC-kiihdyttimen koeryhmät ATLAS ja CMS esittivät ensimmäiset tuloksensa LHC:n toiselta kaudelta. Tomaso Dorigo ja Matt Strassler molemmat livebloggasivat tilaisuudesta.

LHC:n ensimmäinen kausi kesti syyskuusta 2008 helmikuuhun 2013, ja siitä jäi haaviin Higgsin hiukkanen, jonka löytyminen huomioitiin vuoden 2013 fysiikan Nobelin palkinnolla. Sen jälkeen kiihdytintä huollettiin ja päivitettiin toista kautta varten, joka alkoi toukokuussa 2015. Toinen kausi jatkuu vuoteen 2018 asti, ja sen aikana on tarkoitus kerätä viisi kertaa niin paljon dataa kuin ensimmäisellä kaudella. Merkittävää on myös se, että hiukkastörmäysten energia on 60% aiempaa isompi. Mitä korkeampiin energioihin törmäyksissä päästään, sitä pidemmälle kohti uuttaa fysiikkaa kurotetaan.

Ensimmäisellä kaudella saattoi luvata, että löytyy joko Higgsin hiukkanen tai jotain vielä kiinnostavampaa, mutta enää ei ole takeita siitä, että mitään uutta näkyisi koko LHC:n parikymmenvuotisen uran aikana. Ensimmäisen kauden Higgsin hiukkanen olikin kuin lohdutuspalkinto siitä, että mitään merkkejä sen enempää supersymmetriasta kuin tekniväristä kuin muustakaan tuntemattomasta ei näkynyt.

Toisen kauden datassa on nyt kuitenkin näkynyt vihje jostain aivan uudesta. Sekä ATLAS että CMS näkevät poikkeuksellisen paljon tapahtumia, jotka näyttävät siltä kuin protonia noin 750 kertaa raskaampi hiukkanen hajoaisi kahdeksi fotoniksi. Tällaista hiukkasta ei ole hiukkasfysiikan Standardimallissa, eli kyseessä olisi merkittävämpi löytö kuin Higgsin hiukkasen kohdalla.

Lupaavaa on se, että kumpikin koeryhmä näkee samanlaisen signaalin. Tämä kasvattaa sen todennäköisyyttä, että kyseessä on todellinen ilmiö, eikä vain sattuma. Toisaalta kummankaan koeryhmän datassa yksinään signaali ei ole tilastollisesti merkittävä, eikä dataa ole vielä huolella yhdistetty, joten on liian aikaista sanoa signaalia merkittäväksi.

Outoa onkin sitten kaikki muu – tai oikeastaan se, että kaikki muu näyttää normaalilta. Jos hiukkanen hajoaa fotoneiksi, niin sen odottaisi hajoavan myös W- ja Z-bosoneiksi. Niiden kohdalla ei kuitenkaan näy mitään erikoista. On helppo kehitellä hiukkasfysiikan malleja, joissa W- ja Z-bosoneita ei näy, mutta tyypillisesti niissä näkyy sitten muita signaaleja. Se, että noin raskas hiukkanen hajoaa pelkästään fotoneiksi on kummallista. Lisäksi mietityttää myös se, että ykköskaudella ei näkynyt tästä signaalista merkkiäkään, vaikka dataa oli kuusi kertaa enemmän. Useimmissa malleissa hiukkasten tuotto ei nouse äkkiseltään yli moninkertaiseksi energian noustessa vain 60%, mutta ei se mahdotonta ole.

Tämä ei tietenkään lannista teoreetikkoja, päin vastoin: ensimmäiset selitykset ilmestyivät muutaman tunnin kuluessa ilmoituksesta, ja kuudessa päivässä on ilmestynyt ainakin 39 tieteellistä artikkelia siitä, mitä fysiikkaa signaalin taustalla voi olla. Parhaan katsauksen tilanteeseen tarjoaa Jester ja kannattaa katsastaa myös Matt Strasslerin ja ATLAS-koeryhmässä työskentelevän Eilam Grossin näkökulmat.

Lisätietoa on luvassa maaliskuussa vuosittaisessa Moriondin konferenssissa, jolloin data-analyysiä on ehditty viedä pidemmälle, toivon mukaan koeryhmien data on silloin yhdistetty. LHC myös käynnistyy uudelleen keväällä, ja jos kyseessä on signaali eikä kohinaa, niin ensi vuonna juhlitaan Standardimallin hautajaisia.

Päivitys (01/01/16): CMS-koeryhmän jäsen Tomaso Dorigo kirjoittaa kuvien kera siitä, mitä 750 GeVin fotoni-ylijäämä ei ainakaan voi olla.

---

Tuhoutuuko kaikki?

19.11.2015 klo 21.04, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Alustin (jälleen) tänään 19.11. nuorten filosofiatapahtuma Nufitin Pop up –tapahtumassa aiheesta ”Tuhoutuuko kaikki?”. Haastajina olivat Eemil Lemmetti ja Venla Hannuksela. Alustukseni meni jotenkin seuraavasti.

Ennen kaikki oli paremmin. Tarkemmin sanottuna, ennen kuin maailmankaikkeus oli sekunnin miljardisosan sadasosan ikäinen. Silloin Higgsin kentän arvo oli kauniisti nollassa ja hiukkaset olivat massattomia. Maailmankaikkeuden laajetessa ja lämpötilan laskiessa alle kahden miljoonan miljardin asteen symmetria kuitenkin rikkoutui Higgsin kentän jäätyessä paikalleen nollasta eroavaan arvoon. Tämä tuhosi myös hiukkasten yhtäläisen massattomuuden: ne saivat erilaiset massat, sen mukaan miten voimakkaasti kukin vuorovaikuttaa Higgsin kentän kanssa.

Aine oli kvarkkien, gluonien ja muiden hiukkasten muodostamaa plasmaa, joka oli levittäytynyt tasaisesti kaikkialle. Maailmankaikkeuden ollessa mikrosekunnin ikäinen tämä yhtenäisyys kuitenkin tuhoutui, ja kvarkit ja gluonit jäivät erillisiin vankiloihin, eli protoneihin, neutroneihin ja muihin hadroneihin. Lämpötilan laskiessa muut hadronit kuin protonit ja neutronit sitten tuhoutuivat hiukkasten ja antihiukkasten kohdatessa.

Maailmankaikkeuden ollessa sekunnin ikäinen alkoi neutronien tuho: ne rupesivat hajoamaan protoneiksi (ja elektroneiksi ja elektronin antineutriinoiksi). Neutronit pelasti vain se, että kolmen minuutin iässä ne sitoutuivat suhteeseen protonien kanssa, muodostaen vedyn ja heliumin atomiytimiä, mutta vapaiden neutronien aika oli auttamatta ohi.

Pahempaa tuhoa oli luvassa. Kun saavuttiin kolmen tuhannen asteen kylmyyteen, atomiytimet yhtyivät elektroneihin, eli atomit muodostuivat. Tämä tuhosi valon ja aineen yhteyden. Sitä ennen valo ja elektronit olivat olleet tiukasti sidoksissa toisiinsa elektronien sähkövarauksen ansiosta, mutta sähköisesti neutraaleja atomeita ne eivät nähneet. Niinpä valo ja aine ovat siitä päivästä olleet erillään, ja valon vaikutus maailmankaikkeuden tapahtumiin on hiipunut lähes olemattomiin. Pian maailmankaikkeudesta tuli myös pimeä, kun valon aallonpituus venyi maailmankaikkeuden laajenemisen takia näkökynnyksen alle. (Ei niin, että paikalla olisi ollut ketään katsomassa.) Myöhemmin syttyneistä tähdistä tullut valo on tavattoman himmeää ja sekavaa varhaisen plasman kaiken täyttävään lämpimään kirkkauteen verrattuna.

Valon ja aineen ero tapahtui maailmankaikkeuden ollessa 380 000 –vuotias. Tällöin aineen ja valon jakauma oli vielä siisti: maailmankaikkeus oli samanlainen melkein kaikkialla, tiheysvaihtelut eri paikkojen välillä olivat vain sadastuhannesosan kokoisia (tuhannesosan, jos pimeä aine otetaan huomioon). Valon ja aineen irrottua toisistaan gravitaatio kuitenkin tuhosi tämän harmonian. Ylitiheiden alueiden tiheys kasvoi entisestään, kunnes ne lopulta romahtivat ja muodostivat takkuisia rakenteita kuten galakseja.

Galakseissa vedyn ja heliumin rauhallisten kaasupilvien hillitty viehätys tuhoutui, kun ne klimppiytyivät niin pahasti, että kaasua romahti kasoiksi, joissa ydinreaktiot syttyivät. Vetyä ja heliumia tuhoutui tähtien ydinreaktioissa, joissa ne paloivat raskaammiksi alkuaineiksi. Tähdetkään eivät kestäneet: ne tuhoutuivat muutaman miljoonan vuoden jälkeen, ja niiden räjähdyksissä aine levisi avaruuteen, saastuttaen neitseelliset kaasupilvet raskailla alkuaineilla. Niistä sitten muodostui uusia tähtiä, ja tähtien jätteistä kertyi kasoja avaruuteen.

Joitakin aineen kasoista kutsutaan planeetoiksi, mukaan lukien yhdeksän miljardin vuoden aikoihin muodostunutta Maapalloksi kutsuttua kasaa. Sen pinta pian sotkeutui yhä monimutkaisempien molekyylien takertuessa toisiinsa ja kopioidessa itseään. Alkuperäiset rakenteet hävisivät yhä monimutkaisempien yhdistelmien tieltä, tai jäivät niiden osaksi. Fotosynteesistä aiheutuva happi saastutti Maan ilmakehän, voisi jopa sanoa, että se tuhosi sen. Suurin osa kehittyneistä eliöistä on sittemmin hävinnyt, ihmiskunnankin esi-isät ovat tuhoutuneet kehittyessään ihmisiksi.

Jonkin ajan kuluttua ihmiskunta tuhoutuu, ja uudet lajit kulkevat kaupunkien raunioissa, kunnes kaikki tuhoutuvat ajan myötä, viimeistään miljardien vuosien kuluttua Maapallon jäädessä Auringon sisälle sen paisuessa ydinpolttoaineena toimivien kevyiden alkuaineiden loppuessa. Auringon jäänteistä voi syntyä uusia tähtiä ja planeettoja, mutta lopulta alkuaineita ei riitä poltettavaksi, ja tähtien viimeinen sukupolvi häviää.

Emme tiedä, mitä äärimmäisen pitkän ajan kuluessa tapahtuu, se riippuu siitä miten maailmankaikkeus laajenee ja millainen se on suurimmassa mittakaavassa. Emme ymmärrä, miksi maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt viimeisen muutaman miljardin aikana, joten emme myöskään osaa ennustaa miten se käyttäytyy miljardien vuosien päästä tulevaisuudessa. Jos kiihtyminen jatkuu, niin lopulta galaksitkin tuhoutuvat, kun niiden rakennusosat ajautuvat pala palalta pois galaksienväliseen tyhjyyteen, samoin galaksiryppäät ja kaikki muut rakenteet häviävät. Aikaskaala tälle on ehkäpä tuhat miljardia miljardia vuotta tai enemmän. Maailmankaikkeudesta tulee tyhjä, pimeä ja tasainen. Toisaalta, jos laajeneminen alkaa taas hidastua, niin yhä suurempia rakenteita voi syntyä, ja tulevaisuus riippuu maailmankaikkeuden hyvin ison mittakaavan rakenteesta, josta emme tiedä mitään.

Tulevan tuhon pohtiminen saattaa tuntua lohduttomalta, mutta yhtä lailla maailmankaikkeuden menneisyys on sarja tuhoutumisia tai, eri tavalla sanottuna, muodonmuutoksia. Meitä ei huoleta se, että emme olleet olemassa kaksisataa vuotta sitten, mutta on kauhistuttavaa, että kahdensadan vuoden kuluttua meitä ei enää ole. Lohtua voi etsiä itsensä kokemisesta ryhmän jäsenenä, vaikka läheisten ihmisten tai koko ihmiskunnan. Silloin oma tuho ei tunnu niin kauhealta, jos ryhmän olemassaolo jatkuu. Pian edessä oleva henkilökohtainen maailmanloppu korvautuu ryhmän häviämisellä, isoimmillaan koko ihmislajin sukupuutolla, ja sen siirtäminen kauemmas tulevaisuuteen tuntuu tärkeältä.

Synkeys siitä, mitä maailmankaikkeudelle tapahtuu miljardien miljardien vuosien kuluttua tulevaisuudessa, jolloin kaikesta DNA:sta rakentuvasta elämästä on aika jättänyt kauan sitten, venyttää tämän ajattelun äärimmilleen. Pieni ja suuri samaistetaan merkityksen rakentamiseksi, ja epäinhimillistä maailmankaikkeutta yritetään sovittaa ihmisen mittoihin. Itsensä näkeminen osana kokonaisuutta on inhimillisen merkityksen rakentamisen kannalta välttämätöntä, mutta pitkälle vietynä se näyttäytyy myös järjettömänä.

---

Yleinen suhteellisuusteoria sata vuotta

17.11.2015 klo 16.45, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Keskiviikkona 25.11. tulee kuluneeksi sata vuotta siitä, kun Albert Einsteinin löytämä yleinen suhteellisuusteoria julkaistiin. Juhlapäivänä minä ja Hannu Kurki-Suonio puhumme Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen Physicum-rakennuksen salissa D101 kello 14.15. Kurki-Suonio on yleistä suhteellisuusteoriaakin testaavan Euclid-satelliitin Suomen ryhmän johtaja.

Käsittelen yleisen suhteellisuusteorian historiaa otsikolla ”Kauneudella Merkuriuksesta maailmankaikkeuteen”, Kurki-Suonio puhuu yleisen suhteellisuusteorian kokeellisista testeistä. Tilaisuus on avoin kaikille.

Olen päivittänyt esitysten listaa myös muilta osin: keskiviikkona 18.11. puhun Kuopiossa, torstaina 19.11. Helsingin yliopiston Tiedekulmassa, 15.12. Helsingin yliopistolla avoimesta julkaisemisesta (ilmoittautuminen 8.12. mennessä).

Avoin julkaiseminen: oppia hiukkasfysiikasta

4.11.2015 klo 16.49, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuin 21.10. Kirjastoverkkopäivillä tieteellisestä julkaisemisesta otsikolla ”Open publishing: lessons from particle physics”. Esitys on katsottavissa täällä (alkaen kohdasta 1.28), ja kalvot löytyvät täältä; ne ovat englanniksi. Kirjoitan tässä puheen tiimoilta, mutta en täysin samaa kuin puheessa. Olen aiemmin käsitellyt aihetta täällä ja täällä.

Hiukkasfyysikot ovat olleet tieteellisen tiedon välittämisen edelläkävijöitä. Hiukkasfysiikassa kokeiden ja teorian välinen vuorovaikutus on ollut nopeaa (viime vuosikymmeninä edistys on tosin hidastunut, kun kiihdyttimissä ei ole löytynyt uutta), ja tieteellisiä artikkeleita oli aikoinaan tapana lähettää paperilla kollegoille ennen niiden julkaisemista. 1990-luvun alussa siirryttiin sähköpostiin, ja 1991 otettiin käyttöön nettiarkisto arXiv. Samana vuonna CERNissä kehitettiin World Wide Web, ja arXivin tuli www-käyttöliittymä vuonna 1993. arXiv on laajentunut kattamaan fysiikan eri aloja sekä matematiikan, tilastotieteen, tietojenkäsittelytieteen, kvantitatiivisen biologian ja kvantitatiivisen taloustieteen. arXivissa on tänään yhteensä 1 088 379 artikkelia.

Joka arkipäivä arXivissä ilmestyvät edellisen päivän aikana jätetyt artikkelit (paitsi maanantaisin, jolloin ilmestyvät perjantain jälkeen jätetyt artikkelit), eli julkaisuviive on yksi päivä tai korkeintaan viikonloppu. Artikkelit ovat arXivissa pysyvästi – kirjoittajat eivät voi vetää niitä pois, vaikka haluaisivat. Artikkeleita voi päivittää koska tahansa, mutta kaikki versiot jäävät näkyviin. Artikkelien jättäminen arXiviin ja niiden lukeminen on ilmaista.

arXivin kustannukset ovat erittäin alhaiset. Vuonna 2014 arXiv julkaisi 97 517 artikkelia ja sen budjetti oli 643 274 dollaria, eli 6.6 dollaria artikkelia kohden. (Koska suurin osa työstä on automatisoitu, hinta per artikkeli laskee artikkelien määrän kasvaessa.) Summassa ei ole mukana epäsuoria kuluja, joita ei makseta arXivin budjetista, ja osa arXivin toimintaan osallistuvista ei saa erillistä korvausta.

Kyse ei ole palkattomasta työstä, vaan siitä, että akateemisissa instituutioissa työskenteleville tutkijoille ei makseta määritettyjen tehtävien suorittamisesta, toisin kuin useimmissa työpaikoissa. (Joitakin kiinnitettyjä velvollisuuksia on, merkittävimpänä opettaminen.) Sen sijaan he saavat käyttää aikaansa tieteen edistämiseen eri tavoin oman harkintansa mukaan. Yliopistotutkijoiden palkka on eräänlainen tieteilijöiden perustulo, joka mahdollistaa joustavan ja monipuolisen tieteellisen toiminnan, kuten arXivin kaltaisten projektien kehittämisen ja ylläpitämisen sekä tieteellisen vertaisarvioinnin. Usein tuntuu siltä, että tätä akateemisen vapauden luonnetta ja merkitystä tieteen kehitykselle ei ymmärretä, varsinkin kun puhutaan yliopistojen tehostamiseksi kutsutusta kurjistamisesta.

arXiv on mullistanut tieteellisen julkaisemisen fysiikassa ja läheisillä aloilla. arXivin ja tieteellisen lehtien roolien hahmottamiseksi on syytä katsoa sitä, mitä tarkoitusta tieteelliset lehdet ovat historiallisesti palvelleet tutkijoiden näkökulmasta. Lehtien kautta on hoidettu neljä asiaa tutkimuksesta:

1. Rekisteröinti

   Tutkijoille on tärkeää pitää kirjaa siitä, kuka on tehnyt mitäkin ja koska. Tieteellisissä lehdissä ei vain julkaista tuloksia, niissä myös kerrotaan milloin lehti on tulokset vastaanottanut. Näillä päivämäärillä on ollut iso merkitys kunnian, tutkijoiden pääasiallisen valuutan, jakamisessa.

2. Tiedonvälitys

   Se, että lehdet ovat välittäneet uusia tutkimustuloksia jatkuvasti tutkijayhteisölle on mahdollistanut tieteen nopean kehityksen.

3. Arkistointi

   Jotta tulokset ovat kaikkien löydettävissä, ne pitää luetteloida ja säilöä saataville. Lehtien järjestelmällinen numerointi on tehnyt tämän helpoksi kirjastoille.

4. Laadun arviointi

   Lehdillä on myös ollut tärkeä rooli tutkimuksen laadun tarkkailemisessa. Niiden kautta on järjestetty vertaisarviointi siten, että yksi tai useampi saman alan tutkija käy tutkimusta läpi ja antaa arvion siitä, voiko sen julkaista ja mitä muutoksia se mahdollisesti tarvitsee.

arXiv hoitaa nykyään tehtävät 1-3, lehtiä ei niihin tarvita. Rekisteröinnissä katsotaan arXiviin lähettämisen ajankohta ensisijaiseksi. Lehtiin verrattuna arXiv on parempi tapa välittää tutkimuksen sisältöä, koska artikkeleita on mahdollista päivittää, ja niihin liittyvän kokeellisen datan, koodien ja muun tiedon laittaminen saataville on suoraviivaista. Artikkelit järjestyvät automaattisesti arkistoon saman tien, ja niistä on paljon metadataa, mikä tarjoaa hyvän lähtökohdan mahdolliselle uudelleenjärjestelylle sekä arkiston tilastolliselle hyödyntämiselle.

Aiemmin lehdet ovat hoitaneet myös artikkelien kirjoittamisen puhtaaksi ja vastanneet taitosta. Nykyään tutkijat kirjoittavat artikkelinsa itse valmiiksi ladontaohjelma LaTeXilla, joka pitää huolta ulkoasusta automaattisesti. Lehdet tosin vieläkin tarkistavat artikkelin kieliasun ja ladonnan. Joskus tämä tekee niistä kieliopillisesti parempia, mutta se voi myös tuoda mukanaan virheitä niin tekstiin kuin yhtälöihin, ja tutkijoilla tuhlaantuu aikaa tarkistettujen artikkeleiden syynäämiseen lehden tekemiä virheitä etsien.

Lehtien ainoaksi tarpeelliseksi tehtäväksi on jäänyt vertaisarvioinnin järjestäminen. Tosin on kyse vertaisarvioinnista vain suppeasti ymmärrettynä. Artikkelien paikkansapitävyyden todellinen arviointi tapahtuu siten, että ne ovat vapaasti luettavissa arXivista, ja kokeiden tapauksessa data on kaikkien saatavilla, niin että yhteisö voi toistaa tutkimuksen. Niin kosmisen mikroaaltotaustan kylmän läikän selityksen kuin BICEP2-ryhmän väittämän gravitaatioaaltohavainnon tapauksessa virheet on korjannut yhteisö arXiviin laitettujen artikkeleiden perusteella. Etenkin BICEP2-ryhmän väitteiden tapauksessa lehtien vertaisarviointi tuli arXivissa julkaistun kritiikin jäljessä. Vertaisarvioinnin voisi järjestää paremminkin, esimerkiksi yhteistyökumppanillani Shaun Hotchkissillä oli mielenkiintoisia ehdotuksia, vaikka en olekaan täysin samaa mieltä.

Lehtien tekemän vertaisarvioinnin pääasiallinen merkitys on se, että se antaa työpaikkojen ja apurahojen hakua varten merkin siitä, että artikkelin laatu on jollain tapaa tarkistettu. Tämän suppean vertaisarvioinnin pääasiallinen kohde ei siis ole alan asiantuntijoiden yhteisö, joka arvioi tulosten oikeellisuuden itse, vaan sellaiset tahot, jotka tekevät päätöksiä tutkijoiden tulevaisuudesta tutustumatta heidän työnsä yksityiskohtiin (eli lähes kaikki, jotka päättävät työpaikoista ja apurahoista).

Julkaisukäytäntöjä ei ole päivitetty ottamaan huomioon lehtien merkityksen supistumista. Olen aiemmin kirjoittanut julkaisemisen vaiheista hiukkaskosmologiassa, lyhykäisesti ne ovat seuraavat:

0. Artikkeli julkaistaan arXivissa ilmaiseksi.
1. Kirjoittaja antaa artikkelin kustantajalle ilmaiseksi.
2. Referee vertaisarvioi artikkelin ilmaiseksi.
3. Editori päättää julkaisemisesta. (Editori saattaa saada palkkaa.)
4. Kirjoittaja saattaa joutua maksamaan kustantajalle artikkelin julkaisemisesta.
5. Lehti julkaisee artikkelin uudelleen ja myy sen tutkijoiden instituuteille.

On sikäli harhaanjohtavaa sanoa, että kirjoittaja tai refereet tekisivät työnsä ilmaiseksi, että he saavat omalta yliopistoltaan (tai muulta tieteelliseltä instituutiltaan) kiinteää palkkaa, kuten yllä mainitsin. Se tarkoittaa vain sitä, että kustantaja ei maksa heille mitään. Sen sijaan kustantaja pitää kaikki voitot.

Kyse ei ole pikkusummista. Kirjastot maksavat tieteellisistä lehdistä vuosittain yhteensä 7.6 miljardia euroa. Ongelmana ei ole niinkään lehtien suuri lukumäärä kuin kustantajien korkeat hinnat, sekä myyntikäytännöt, joiden takia ei usein ole mahdollista tilata haluamiaan lehtiä yksittäin. Kirjastot maksavat yhdestä artikkelista keskimäärin jotain 3800 ja 5000 euron väliltä – summa on saatu laskemalla yhteen kaikkien kirjastojen kustantajille maksamat rahat ja jakamalla artikkelien määrällä.

Voittomarginaalit ovat huikeita. Usein esimerkiksi nostetun pahamaineisen Elsevier-kustantamon tieteellisen, teknisen ja lääketieteellisen osaston voittomarginaali on kaikkina vuosina välillä 1991-2013 ollut yli 30%, vuonna 2013 se oli 39%. (Koko yrityksen voittomarginaali on ollut alhaisempi, vuonna 2013 se oli 22%.) Vertailun vuoksi mainittakoon, että samana vuonna Applen voittomarginaali oli 22%, Googlen 20% ja Microsoftin 28%.

Valtavat voitot on helppo ymmärtää: kustantajat saavat tuotteen ilmaiseksi ja myyvät sen isoon hintaan eteenpäin, ilman että niille tulee siitä suuria kuluja. (Joissakin tapauksissa kustantajalle jopa maksetaan siitä, että se ottaa tuotteen vastaan.) Nämä miljardit ovat poissa tieteen tekemisestä, mutta se ei tietenkään ole kustantajien ongelma. Suuri osa kustantajista on suuryrityksiä, joiden tavoitteena on tehdä mahdollisimman paljon voittoa, ja mahdollisesti käyttää tiedettä yrityksen brändin rakentamisessa.

Jotkut lehdet ovat akateemisten yhteisöjen julkaisemia, ja niiden tapauksessa tavoitteena saattaa olla myös tieteen tukeminen. Yhteisötkin tosin saattavat haavia kustantamisella voittoa yleishyödyllisen toimintansa rahoittamiseksi. Silloin kun tähän liittyy kohtuuttomia artikkelihintoja, niin kyse on mielenkiintoisesta ilmiöstä, jossa teknologian kehitys muuttaa tiedonvälityksen aiempia edistäjiä sen jarruttajiksi. Joka tapauksessa tiedejärjestöjen osuus kustantamisen ongelmissa ei ole hallitseva, vaikka niillä onkin fysiikassa isompi rooli kuin muilla aloilla.

Ratkaisuksi on tarjottu open accessia, eli sitä, että artikkelit olisivat kaikkien ilmaiseksi luettavissa. Yleensä erotellaan ’kultainen’ versio, jossa kustantajalle maksetaan siitä, että se laittaa julkaisemansa artikkelin vapaasti luettavaksi ja ’vihreä’ versio, jossa kustantaja julkaisee artikkelin vanhaan tapaan, mutta kirjoittaja laittaa sen myös avoimeen arkistoon, kuten arXiviin. On arvioitu, että tällaisessa kustantajakeskeisessä open access –mallissa artikkelien hinnan saisi pudotettua jonnekin 1100 ja 2000 euron välille, siis tekijällä 2-5 nykytilanteeseen verrattuna. Tämä tarkoittaisi miljardien säästöjä.

On kuitenkin syytä pitää mielessä, että artikkelien julkaiseminen lehdissä on täysin tarpeetonta. Lehtijulkaisun jälkeen arXiv-versio yleensä päivitetään vastaamaan lehdessä julkaistua artikkelia, ja jos näin ei tehdä, niin kyse on vain huolimattomuudesta (tai kustantajan kiristyksestä). Kustantajakeskeinen open access –malli pyrkii korvaamaan sen, että kustantajille maksetaan 7.6 miljardia euroa turhasta sillä, että niille maksettaisiin 1.7-4 miljardia euroa turhasta. CERNin johtama SCOAP³-hanke, josta olen kirjoittanut aikaisemmin, on tästä varoittava esimerkki.

Tieteilijöiden ei tarvitse ’muuttaa tieteellisen julkaisemisen bisnesmallia’, vaan lopettaa se. Jos julkaisut ovat joka tapauksessa luettavissa avoimesta arkistosta, niin miksi julkaista niitä lehdissä ollenkaan? Ongelmana ei ole open access –se on ratkaistu arXivin myötä vuosikymmeniä sitten– vaan vertaisarvioinnin järjestäminen kustannustehokkaasti.

Tämä on ideana ’timanttisessa’ open access –mallissa, jossa artikkelit julkaistaan ilmaisessa nettiarkistossa, ja tieteilijöiden pyörittämä lehti hoitaa vain vertaisarvioinnin. Lehdellä voi olla tavalliseen tapaan oma www-sivu, jonka kautta artikkeleita tarjotaan sinne ja vertaisarvioidaan ja jossa sen hyväksymät artikkelit listataan.

Tällaista vaihtoehtoa kartoitti kosmologian ja astrofysiikan alalla vuosina 2007-2008 RIOJA-projekti, jossa laadittiin tarvittava ohjelmisto ja tehtiin esimerkkinä lehden www-sivu. Projektissa myös selvitettiin tutkijoiden asenteita, ja oli huomattavaa, että monet tutkijat eivät ainakaan tuolloin olleet tietoisia siitä, kuinka paljon lehtien tilaukset tiedeyhteisön budjettia rasittavat. Tämä selittänee sen, miksi arXiv-pohjaiset lehdet eivät ole jo korvanneet perinteisiä julkaisuja. Muutos voi lähteä vain tieteilijöistä: tarvitaan arvostettuja tutkijoita, jotka antavat painoarvoa uudelle lehdelle toimimalla sen editoreina, ja lisäksi jotkut hoitamaan asian vaatimaton tekninen puoli.

Matemaatikot ovat menneet fyysikoiden edelle, ja ensi vuonna aloittaa tällainen arXiv-pohjainen lehti Discrete Analysis, jonka toimituskuntaan kuuluvat mm. Fields-mitalistit Tim Gowers ja Terence Tao. Ohjelmisto on peräisin Scholasticalta. Julkaisemisen kustannukset ovat 10 dollaria per artikkelia, siis noin 400-500 kertaa vähemmän kuin nykyinen julkaisumalli ja 100-200 kertaa vähemmän kuin kustantajakeskeisessä open access –mallissa.

Huhujen mukaan myös kosmologiaan on tulossa vastaava julkaisu. Joitakin kahvipöytälehtiä, kuten Naturea ja Scienceä, lukuun ottamatta kaikki vanhat tieteelliset julkaisut on nopeasti korvattavissa tällaisilla nykyaikaisilla lehdillä, jotka lähestyvät julkaisemista tutkijayhteisön tavoitteista, eivät kustantajien. Olen käsitellyt tilannetta hiukkaskosmologiassa ja matematiikassa, mutta ei ole mitään periaatteellista syytä, miksei julkaisemista voi päivittää nykyaikaan muillakin aloilla.

Kirjastoilla on tässä siirtymässä tärkeä rooli. Niiden pitäisi lopettaa tekohengityksen antaminen tarpeettomalle kaupallisen kustantamisen mallille open accessin nimissä. Sellaisten hankkeiden kuten SCOAP³ tukeminen on haitallista, koska se siirtää suuria rahasummia kustantajien taskuihin, ilman mitään tarpeellista vastinetta. Kirjastot voivat myös säästää lopettamalla sellaisten tarpeettomien lehtien tilaamisen, joissa julkaistut artikkelit on ilmaiseksi luettavissa. Sen sijaan kirjastojen tulisi tukea arXivia ja muita ilmaisia nettiarkistoja, sekä arkistopohjaisia lehtiä ja muita tapoja vertaisarvioinnin uudelleenjärjestämiseen.

Kirjastojen ja tutkijoiden kommunikaatio on oleellista. Kirjastojen pitää olla siirtymävaiheessa tarkkoja, että ne eivät lakkauta lehtien tilauksia tavalla, joka jättäisi tutkijat vaille sellaisia tärkeitä julkaisuja, joiden sisältö ei vielä ole avoimissa nettiarkistoissa. Toisaalta kirjastojen tulee kertoa tutkijoille, millaisesta taloudellisesta taakasta on kyse, jotta nämä osaavat suhtautua asiaan sen vaatimalla vakavuudella. Nyt lehtiä nimittäin halutaan pitää tilauksessa osittain vain vanhasta tottumuksesta, tai siksi, että kaikki eivät katso artikkelin lopullisen version laittamista arXiviin oleelliseksi.

Jos tutkijat joutuisivat maksamaan kirjoittamiensa artikkelien julkaisukulut omasta tutkimusbudjetistaan, niin asiaan suhtauduttaisiin toisin, enkä usko, että hiukkaskosmologiassa olisi vuosikymmenen loppuun mennessä enää ainuttakaan kaupallista lehteä. Nyt yhteisö liikkuu verkkaisemmin, mutta kaupalliset kustantajat menettävät joka tapauksessa otteensa tieteellisestä julkaisemisesta. Se tapahtuu sitä nopeammin, mitä tehokkaammin tutkijat ja kirjastot organisoituvat järjestämään julkaisemisen ja vertaisarvioinnin nykyaikaisella ja kustannustehokkaalla tavalla.

---

Sekoittumista

12.10.2015 klo 03.02, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minulta on kysytty viime tiistaina myönnetystä Nobelin fysiikan palkinnosta, joten sanon siitä lyhyesti.

Palkinto myönnettiin Takaaki Kajitalle ja Arthur B. McDonaldille ”neutriino-oskillaatioiden löytämisestä, jotka osoittavat, että neutriinoilla on massa”. Neutriino-oskillaatioista, eli neutriinojen muuttumisesta toisikseen, annettiin Nobelin palkinto jo vuonna 2002, ja kirjoitin siitä neljä vuotta sitten seuraavasti:

”Tällainen sekoittuminen on mahdollista vain kun neutriinojen massat ovat nollasta eroavia, joten neutriino-oskillaatiot ovat osoitus fysiikasta Standardimallin tuolta puolen. Vaikka tästä myönnettiinkin osa fysiikan Nobelin palkintoa vuonna 2002, löytöä ei kuitenkaan pidetä kovin ihmeellisenä, koska neutriinoiden massat olisi voinut laittaa Standardimalliin alun perinkin. Joskus neutriinojen massat katsotaankin vaivihkaa osaksi Standardimallia, kuin kyseessä olisi päivitys.”

On muuten huomionarvoista, että neutriino-oskillaatiot havaittiin alun perin kokeissa, jotka oli rakennettu etsimään protonin hajoamista, mikä olisi merkki Standardimallia laajemmista yhtenäisteorioista, ja jota ei vieläkään ole nähty. Tämä on esimerkki siitä, että ei voi ennustaa, millaisia kiinnostavia asioita kokeissa tulee vastaan. Koe voi olla parin Nobelin arvoinen, vaikka se ei löytäisi sitä, mitä lähdettiin etsimään.

Neutriinojen oskillaatiot olivat ensimmäinen laboratoriossa havaittu merkki Standardimallin tuonpuolisesta, mutta taivaalta tehtyjen havaintojen perusteella oli jo aiemmin päätelty, että on olemassa pimeää ainetta, mitä Standardimalli ei selitä. 1970-1980-luvuilla kaavailtiin, että pimeä aine voisi koostua neutriinoista, ja tässä niiden massoilla on ratkaiseva merkitys. Nykyään massat kuitenkin tiedetään niin pieniksi, että neutriinot ovat vain pieni osa pimeästä aineesta, korkeintaan prosentin luokkaa.

Kumma kyllä, lopuista 99% pimeästä aineesta ei ole vieläkään myönnetty Nobelin palkintoa, vaikka siitä on monenlaista todistusaineistoa gravitaation kautta (ja sitä etsitään monella tapaa muuten), ja keskeisiä havaintoja tehnyt Vera Rubin on vielä hengissä. Maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisestakin myönnettiin Nobelin palkinto, vaikka sen syytä ei ole tyydyttävästi ymmärretty, joten sen, että pimeän aineen hiukkasta ei etsinnöistä huolimatta ole löydetty, ei luulisi olevan esteenä.

Päivitys (12/10/15): Palkittujen nimet lisätty.

---

Tarinoita tyhjyydessä

10.10.2015 klo 17.04, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minua oli pyydetty puhumaan lyhyesti runouden merkityksestä maailmankaikkeudessa Käpylän kirjaston kirjakalaasissa tänään, Aleksis Kiven ja suomalaisen kirjallisuuden päivänä. Sanoin jotakin seuraavanlaista.

Mitä enemmän tutkimme maailmankaikkeutta, sitä paremmin ymmärrämme, että ei ole olemassa kosmisia merkityksiä: ei niitä voi löytää, kaikki pitää keksiä. Ainoat merkitykset ovat ne, jotka itse kehitämme ja joita yhdessä kuvittelemme, joilla täytämme maailman välinpitämättömät puitteet inhimillisyydellä.

Runoudessa on tärkeää sanojen välinen tyhjyys. Runon sanat ovat kuin arabian ja heprean konsonantteja, joiden väliin vokaalit hengittävät merkityksen.

Voi kertoa tarinoita maailmankaikkeuden historiasta ja paikastamme siinä, tarinoita, jotka antavat näennäisiä merkityksiä toisiaan seuraaville muodonmuutoksille ja aineen kasautumille, tähtien tai ihmisten muotoon.

Runoillakin voi sepittää ihmisiä ja ihmisryhmiä, keksiä kansakunnan tai antaa äänen kylän hengelle, joka yhdistää siitä itsensä tunnistavat ja sivuuttaa ne, jotka eivät koe samoin.

Niin maailmankaikkeudessa kuin runoudessa: se että asiat ovat keksittyjä, ei tarkoita sitä, etteivätkö ne olisi todellisia.

---

Laskemista valonsädettä pitkin

29.9.2015 klo 21.23, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Ajattelin poikkeuksellisesti kirjoittaa hieman omasta tutkimuksestani. Tein yhdessä Sydneyn yliopiston Krzysztof Bolejkon ja Helsingin yliopiston Alexis Finoguenovin kanssa artikkelin, jossa testasimme maailmankaikkeuden tasaisuutta katsomalla, voiko etäisyyksiä laskea suoraan yhteen. (Artikkelin ideasta mainitsinkin jo viime vuoden helmikuun gravitaatiolinssejä käsittelevässä merkinnässä.)

Nyt kun artikkeli julkaistiin, niin Helsingin yliopistolta tuli lehdistötiedote ”Kosmologisia etäisyyksiä voi laskea yksinkertaisesti yhteen”. Tähdet ja avaruus varusti uutisensa otsikolla ”Suomalaistutkimus todistaa: yksi plus yksi on kaksi myös kosmologiassa”. (Krzysztof on puolalainen ja Alexis venäläinen, mutta jos kaksi kolmesta tutkijasta on Helsingin yliopistossa, niin ehkä se sitten riittää tutkimuksen kutsumiseen suomalaiseksi; itse käyttäisin sanaa kansainvälinen.)

Lehdistötiedotteessamme sanotaan seuraavaa:

”Arkielämässä suoraa viivaa pitkin mitattu etäisyys pisteestä A pisteeseen C on yhtä suuri kuin etäisyys A:sta B:hen plus etäisyys B:stä C:hen. Aika-avaruudessa mitattujen kosmologisten etäisyyksien tapauksessa tämä ei välttämättä pidä paikkaansa.”

Tämä kuulostaa vähän kummalliselta: miten etäisyyksiä suoraa viivaa pitkin ei voisi laskea yhteen? Jos viiva on piirretty avaruuteen ja etäisyys määritellään vaikkapa vetämällä mittanauhaa sitä pitkin, niin eikö mittanauhan luku kohdassa C ole sama kuin sen luku kohdassa B plus luvun muutos kohdasta B kohtaan C? Näin on, mutta kosmologisia etäisyyksiä ei mitata avaruuteen vedettyä viivaa pitkin.

Yksi avaruusetäisyyksien ongelma on se, että emme käytännössä pysty matkustamaan kosmologisten etäisyyksien päähän. Emme saa vedettyä mittanauhaa edes Alfa Kentaurin naapuriaurinkokuntaan, saati kaukaisiin galakseihin. Toinen ongelma on periaatteellinen: maailmankaikkeus muuttuu ajassa, ja matkustaminen on hidasta, koska valon nopeutta ei voi ylittää. Jos lähtisimme avaruusaluksella kohti miljardin valovuoden päässä olevaa supernovaa, niin matka kestäisi vähintään miljardi vuotta, ja supernovan etäisyys ehtisi muuttua merkittävästi ennen saapumistamme, ellei minkään muun takia, niin siksi, että maailmankaikkeus laajenee.

Tämän takia kosmologiassa käytetään ennemmin sellaisia etäisyyksiä, jotka on määritelty aika-avaruuteen, ei avaruuteen, vedettyjä viivoja pitkin. Tarkemmin sanottuna etäisyydet määritellään valonsäteitä pitkin. Kun valo kulkee vuoden eteenpäin ajassa, se kulkee valovuoden eteenpäin paikassa. (Maailmankaikkeuden laajeneminen monimutkaistaa tätä hieman, mutta ei mennä siihen tässä.) Valon piirtämät viivat kulkevat yhtä aikaa ajan ja avaruuden halki: silmiimme galaksista saapuvan valon lähtöpiste on kaukana meistä niin ajassa kuin paikassa.

On erilaisia tapoja määritellä etäisyyksiä valon avulla. Yksi niistä perustuu parallaksiin, toinen kohteiden kirkkauteen, jonka avulla 90-luvulla pääteltiin, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy. Kolmas tapa on tarkastella kohteiden kokoa taivaalla.

Tavallisessa euklidisessa avaruudessa kohteen etäisyys on kääntäen verrannollinen kulmaan, missä se näkyy (jos kulma on pieni). Jos kaksi lentokonetta ovat yhtä pitkiä, mutta yksi kattaa taivaalla puolta pienemmän kulman, niin se kaksi kertaa niin kaukana kuin toinen. Kosmologiassa voidaan käyttää samaa määritelmää: kohteen etäisyys on sen koko jaettuna kulmalla, jossa se näkyy taivaalla.

Euklidisessa avaruudessa tämäkin etäisyys noudattaa yksinkertaista yhteenlaskukaavaa. Mutta jos ei olla euklidisessa avaruudessa, niin yhteenlaskukaava ei välttämättä päde. Yksinkertaisin esimerkki on pallopinta. Ajatellaan pohjoisnavalla olevaa havaitsijaa, joka pistää matkaan kappaleen, joka lähettää jatkuvasti valoa. Valo kulkee pallon pinnalla suoria viivoja (eli isoympyröitä) pitkin. Kappaleen matkatessa pois sen kattama kulma ensin pienenee, mutta kappaleen ylitettyä päiväntasaajan kulma kasvaa, kunnes etelänavalta kappaleen lähettämä valo saapuu pohjoisnavalle kaikista suunnista, eli sen kuva kattaa koko taivaan. Kulman avulla määritelty etäisyys vastaavasti ensin kasvaa ja sitten pienenee, eli sitä ei voi laskea yksinkertaisesti yhteen.

Kosmologiassa tilanne on monimutkaisempi, koska etäisyyksiä ei mitata avaruudessa, vaan aika-avaruudessa, mutta ajatus on sama. Maailmankaikkeutta kuvataan yleensä malleilla, joissa se on täysin homogeeninen ja isotrooppinen, eli samanlainen kaikissa paikoissa ja kaikissa suunnissa. Avaruus voi kuitenkin olla kaareva, kunhan se kaareutuu samalla tavalla kaikkialla. (Näin on asia pallon pinnallakin: se on kaareva, mutta kaikki pisteet ja suunnat ovat samanlaisia.) Kaarevuuden takia koon avulla määriteltyjä etäisyyksiä ei voi välttämättä laskea suoraan yhteen. Avaruuden kaarevuuden vaikutus yhteenlaskukaavaan kuitenkin tunnetaan, ja se on helppo ottaa huomioon.

Yhteenlaskukaava voi muuttua myös siksi, että approksimaatio maailmankaikkeudesta homogeenisena ja isotrooppisena ei ole tarpeeksi hyvä, koska maailmankaikkeudessa on monimutkaisia rakenteita. Tästä aiheutuvia muutoksia ei vielä osata kunnolla laskea, mutta havaintojen avulla voidaan ainakin tarkistaa, noudattavatko etäisyydet homogeenisen ja isotrooppisen tapauksen yhteenlaskukaavaa vaiko eivät.

Tutkimuksessa tarkastelimme siis tilannetta, jossa me olemme pisteessä A, taivaalla näkyvä kohde on pisteessä C ja välissä on galaksi pisteessä B. Pisteiden B ja C etäisyyden meistä voi määrittää supernovien kirkkauden avulla – kokoon perustuva etäisyysmitta ei ole sama kuin kirkkauteen perustuva, mutta ne liittyvät toisiinsa yksinkertaisella tavalla. Vaikeampaa on saada selville etäisyys pisteestä B pisteeseen C, eli se, minkä kokoisilta pisteessä C olevat kohteet näyttävät pisteestä B katsottuna.

Tämä on kuitenkin mahdollista käyttämällä hyväksi gravitaatiolinssejä. Pisteessä B oleva galaksi taivuttaa pisteestä C tulevaa valoa, ja taipumiskulma on suoraan verrannollinen pisteiden B ja C väliseen koon perusteella määriteltyyn etäisyyteen.

Käytimme havaintoja 30 galaksigravitaatiolinssistä ja 580:sta supernovasta. Gravitaatiolinssihavainnot ovat siinä määrin epätarkkoja, että emme odottaneet löytävämme merkkejä avaruuden kaarevuudesta tai rakenteiden vaikutuksesta etäisyyksiin, eikä niin käynytkään. Analyysimme asettamat rajat avaruuden kaarevuudelle ovat heikompia kuin muista havainnoista saadut rajat, mutta menetelmässämme on huomattavasti vähemmän oletuksia.

Tutkimuksen tarkoituksena oli pääasiassa esitellä uusi idea ja menetelmä. Seuraavan vuosikymmenen aikana havainnot tarkentuvat merkittävästi, muun muassa Euclid-satelliitin avulla, ja menetelmää voidaan toivon mukaan soveltaa niin tarkasti, että pystytään osoittamaan, että rakenteiden vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen on todennäköisesti pieni – tai saamaan siitä todisteita.

Päivitys (30/09/15): Vuoden lipsahdus valovuodeksi korjattu.

---

Ennustamisen osumat ja harhat

28.9.2015 klo 19.30, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tieteessä tapahtuu –lehden uudessa numerossa (5/2015) on (vapaasti luettavissa oleva) arvosteluni Nate Silverin kirjasta ”Signaali ja kohina: Miksi monet ennusteet epäonnistuvat, mutta jotkin eivät”. Arvostelu alkaa seuraavasti:

”Valmistuttuaan 22-vuotiaana collegesta Nate Silver aloitti KPMG-kirjanpitofirman transithinnoittelukonsulttina. Työ oli niin tylsää, että usein hän vain teeskenteli työskentelevänsä ja kehitteli sen sijaan baseball-tilastoja. Myös nettipokeri kiinnosti, ja 26-vuotiaana Silver irtisanoutui päästäkseen pelaamaan korttia ja työstämään baseball-analyysiä täysipäiväisesti (ja –öisesti, mitä pelaamiseen tulee).

Silver sovelsi pokeriin ja baseballiin ymmärrystään todennäköisyyksistä ja tilastoista. Pokerissa hän päätyi lopulta häviämään ja lopetti, mutta baseballissa hänestä tuli yksi parhaista tilastoihin pohjaavista analyytikoista. Seuraavaksi hän siirtyi politiikan pariin, ja vuonna 2008 Silver nousi maailmanmaineeseen, kun hän yhdistelemällä mielipidemittauksia ja muuta dataa ennusti Yhdysvaltain presidentinvaalien voittajan 49:ssä 50:tä osavaltiosta, ja senaatin vaalien voittajat kaikissa 35:ssa tapauksessa.

Silverin päättely perustuu datavetoiseen analyysiin, missä tehdään johtopäätöksiä datan korrelaatioiden perusteella, usein ilman ymmärrystä sen synnyttäneistä ilmiöistä. Toinen Silverin valtti on bayesilainen todennäköisyyslaskenta, jossa uskomuksia kuvaavia todennäköisyyksiä päivitetään uuden tiedon perusteella. Kirjassaan Silver käsittelee näiden avulla pokerin, baseballin ja äänestämisen lisäksi talouskasvua, pörssikursseja, säätä, maanjäristyksiä, epidemioita, shakkia, ilmastonmuutosta ja terrorismia.”

Mainittakoon myös, että olen päivittänyt syksyn esitysten listaa.

---

Muihin maailmoihin

7.9.2015 klo 01.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Nyt-liitteessä oli hiljattain uutinen, jonka otsikko oli ”Mustat aukot ovat portti toiseen universumiin, sanoo Stephen Hawking”. Olen arvostellut sitä, että tiedeuutisointia pidetään ihmeiden markkinoina, jonne nostetaan sensaatioksi epävarmoja havaintoja tai spekulatiivisia ideoita hetken huomiota tavoitellessa. Tutkijoilla on asiassa myös vastuunsa kannettavana ennenaikaisten lehdistötiedotteidensa kanssa. Tässä tapauksessa uutinen on kuitenkin harhaanjohtava eri syistä kuin tavallisesti.

Stephen Hawking taitaa olla tunnetuin elossa oleva fyysikko (Peter Higgsiä luultaneen usein hiukkaseksi ihmisen sijaan) ja hänen nimiinsä laitettuna saa lukea mitä hämmentävimpiä lausuntoja. Juttujen yhteys siihen, mitä Hawking on oikeasti sanonut on vaihtelevanlainen, ja toimittajat antavat melkoista painoa hänen puheilleen sellaisillakin alueilla, joissa hän ei ole asiantuntija. Hawkingilla on myös tapana liioitella tulostensa varmuutta ja merkitystä ja heittää provosoivia väitteitä, joten terve epäily olisi aiheellista.

Nytin uutinen pohjasi siihen, että Hawking sanoi Tukholmassa pitämänsä puheen yhteydessä, että pyörivien mustien aukkojen avulla voi matkata toiseen maailmankaikkeuteen. Hawking-uutisille poikkeuksellisesti ollaan hänen osaamisensa ytimessä: Hawking on eräs maailman ansioituneimpia mustien aukkojen tutkijoita. Kysymys ei kuitenkaan ole uudesta tiedonjyvästä (ts. ”uutisesta”), vaan asia on tiedetty vuosikymmeniä.

Vuonna 1935 Albert Einstein ja Nathan Rosen ehdottivat, että mustan aukon tapahtumahorisonttiin voi liimata kiinni valkoisen aukon reunan, niin että mustaan aukkoon pudotessa tulee ulos valkoisesta aukosta. (Valkoinen aukko on aikakäännetty versio mustasta aukosta: sinne ei voi mennä sisään, aivan kuten mustasta aukosta ei pääse ulos.) Tällainen rakennelma tunnetaan nimellä Einsteinin-Rosenin silta. Jos musta aukko ja valkoinen aukko sijaitsevat sellaisissa aika-avaruuden osissa, joiden välillä ei ole muuta reittiä kuin tuo silta, niin voi sanoa –jos sille päälle sattuu– että se yhdistää eri maailmankaikkeuksia. Itse sanoisin mieluummin, että se yhdistää saman maailmankaikkeuden eri osia.

Vaikka Hawking viittasi pyöriviin mustiin aukkoihin, Einstein ja Rosen tekivät temppunsa ilman pyörimistä; pyörivää mustaa aukkoa kuvaava ratkaisu löydettiinkin vasta vuonna 1963. Yleisemmin tällainen kahta aluetta yhdistävä oikotie tunnetaan nimellä madonreikä.

On todettava, että vaikka yleisen suhteellisuusteorian matematiikka sallii tällaisen matkaamisen maailmankaikkeuden kaukaisiin osiin (tai ’muihin maailmankaikkeuksiin’), ja jopa taaksepäin ajassa (jos kulkee pyörivän mustan aukon kautta), niin ei tiedetä onko se todellisuudessa mahdollista. Yleinen suhteellisuusteoriahan ei ole lopullinen teoria, eli se on jossain suhteissa väärin. Toistaiseksi ei tarkkaan tiedetä, mitkä yleisen suhteellisuusteorian rajat ovat. Hawking on esittänyt aikajärjestyksen suojelemiskonjektuurin, jonka mukaan aikamatkailu ei ole mahdollista. Madonreikien suhteen ei ole vastaavaa hypoteesia, mutta tyypillisesti niitä kuvaavat teorian yhtälöiden ratkaisut ovat jollain tapaa epärealistisia. Esimerkiksi Einsteinin-Rosenin silta liittyy mustaan aukkoon, joka on ollut ikuisesti olemassa. Tähden romahtaessa syntyvään mustaan aukkoon ei muodostu madonreikää.

On kiehtovaa, että yleisessä suhteellisuusteoriassa on tällaisia ihmeellisiä piirteitä. Vähemmän mieltä ylentävää on se, että tiedonvälitykseen erikoistunut ammattikunta esittelee sata vuotta vanhan teorian tunnettuja kommervenkkejä uusina löytöinä. Kirjailija William Gibsonia mukaillen, tulevaisuus on ollut täällä jo kauan, mutta se on vieläkin epätasaisesti jakautunut.

Sensaatio ei ollut Nyt-liitteen keksimä, jutussa viitataan The Independent –lehden jokseenkin samanlaisella otsikolla varustettuun artikkeliin. Independentin juttu sekoittaa toisiinsa kaksi eri asiaa. Hawkingin kommentti matkailusta muihin maailmoihin ei ollut osa hänen puhettaan, vaan vastaus yleisökysymykseen. Puheen aihe oli sen sijaan uusi ehdotus siitä, miten mustat aukot säilövät informaatiota, eli yritys ratkaista niin kutsuttua informaatioparadoksia, joka asettaa kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian vastakkain.

En ole asiaan järin perehtynyt, joten ohjaan kiinnostuneet mustien aukkojen asiantuntijan Sabine Hossenfelderin, sekä Matt Strasslerin, katsausten pariin. Hossenfelder livebloggasi Hawkingin seminaarista ja kommentoi asiaa enemmän katsottuaan Hawkingin yhteistyökumppanin Malcolm J. Perryn yksityiskohtaisemman selostuksen; Hawkingin puheen kirjallinen versio ilmestyi toissapäivänä.

Saa nähdä, osoittautuuko Hawkingin ja yhteistyökumppanien työ, jota ei siis vielä ole julkistettu, merkittäväksi vai ei. On kuitenkin selvää, että asiasta uutisoitiin vain, koska kyseessä on Stephen Hawking. Oman lisänsä asiaan tuo se, että matkalla Tukholmasta Iso-Britanniaan signaali sekoittui kohinaan, ja Suomessa jäljellä oli vain kohina. Perinteisten joukkotiedotusvälineiden Hawking-juttuja lukiessa tuntuukin usein siltä, kuin matkaisi muihin maailmoihin, kauas tiedeyhteisön todellisuudesta. Sarjakuva xkcd on kuvannut aihetta seuraavasti: