Kosmokseen kirjoitettua

Arvoituksellista piristystä

29.2.2016 klo 22.45, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Gravitaatioaaltojen ja toisiinsa sulautuvien mustien aukkojen julistaminen löydetyksi kolme viikkoa sitten oli iloinen hetki tieteessä. Erityisen hienoa se oli niille tutkijoille, jotka ovat vuosia puurtaneet aiheen parissa; LIGOssa mukana olevan Mark D. Hannamin kuvaus näyttää vilauksen löydön tuntemuksista.

Miljardin valovuoden päässä olevin mustien aukkojen lähettämän erittäin heikon signaalin havaitseminen oli LIGOlta melkoinen taidonnäyte. Se, että äärimmäisissä olosuhteissa syntynyt aalto täsmäsi ennusteisiin oli toisaalta huimaava osoitus siitä, että maailmankaikkeus on ymmärrettävissä.

Mutta kuten edellinen suuri löytö, Higgsin hiukkanen (sivuutetaan BICEP2:n vesiperäksi osoittautunut väite), gravitaatioaallot vain varmistivat jotain, mikä jo tiedettiin. Olisi hyvin yllättävää, jos gravitaatioaaltoja tai toisiaan kiertäviä mustia aukkoja ei olisi. Hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin hiukkaselle oli vaihtoehtojakin, mutta lopulta tylsin teoria voitti, eikä mitään poikkeamia Standardimallista nähty.

Perustavanlaatuisessa fysiikassa, jossa etsitään uusia luonnonlakeja, joita ei voida johtaa mistään toistaiseksi tunnetuista laeista, ei ole löytynyt mitään odottamatonta sitten 1990-luvun loppupuolella havaitun maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen. Tosin siinäkin tapauksessa suosituin selitys, joka kulkee nimellä kosmologinen vakio, oli kehitetty jo vuonna 1917, ja sen sisältävä nykyaikainen kosmologinen malli oli kasassa jo 1980-luvulla. (On myös mahdollista, että havainnot selittyvät ilman mitään uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, edes kosmologista vakiota.) Ensimmäiset tietokonesimulaatiot kosmisten rakenteiden muodostumisesta, joissa todettiin, että malli, jossa on kosmologinen vakio, sopii parhaiten havaintoihin, tehtiin Tartossa vuonna 1986. Vielä 30 vuotta myöhemmin havainnot ovat sopusoinnussa tuon mallin kanssa.

Perustavanlaatuisen fysiikan kulta-aika oli viime vuosisadan alussa, jolloin suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka löydettiin, ja muiden galaksien olemassaolo ja maailmankaikkeuden laajeneminen hahmotettiin. Maailmankuva kasvoi ylöspäin ja sisäänpäin, uusia mysteereitä kohdattiin ja läpimurtoja tehtiin yhtenään. Tuon ajan tutkijoiden nimillä, kuten Niels Bohr, Marie Curie ja Albert Einstein, on taianomainen kaiku. Toisen maailmansodan jälkeen kiivas tahti jatkui uuden sukupolven laittaessa kvanttikenttäteorian ja hiukkasfysiikan palasia paikoilleen.

Fysiikka kehittyi teorian ja kokeiden tiukassa vuorovaikutuksessa: teoreettiset oivallukset kasvoivat selittämättömien havaintojen maaperässä. Usein nuo ajat kuitenkin muistetaan vain teoreetikkojen nerokkuudesta, erityisesti tarinat Richard Feynmanin seikkailuista ovat kasvaneet legendan mittoihin. Tämä huuma on osaltaan johtanut teoreetikkojen yliarvostukseen.

Hiukkasfysiikan Standardimalli valmistui 70-luvulla, eikä hiukkaskiihdyttimissä ole nähty mitään sen tuonpuoleista. (Neutriinojen massat on kyllä löydetty, vesitankkien avulla.) Pääasialliset ideat Standardimallin laajentamiseksi, kuten supersymmetria, tekniväri ja säieteoria, ovat nekin saaneet alkunsa 70-luvulla. Kosmologian keskeiset tutkimusaiheet, inflaatio, pimeä aine, kiihtyvä laajeneminen ja baryogeneesi ovat hieman tuoreempia, ne ovat peräisin 1980-luvulta. Kosmologisia havaintoja on tullut valtavasti lisää, mutta ne on pystytty selittämään tyydyttävästi vanhoilla ideoilla. Vasta WMAP-satelliitin havainnot vuonna 2003 ja Planck-satelliitin havainnot vuonna 2013 pystyivät sulkemaan pois kaikkein yksinkertaisimpia 1980-luvulla esitettyjä malleja kosmiselle inflaatiolle.

Hiukkasfysiikan ja kosmologian 70- ja 80-luvun teorioita on sittemmin kehitetty merkittävästi, ja vuosikymmenten aikana hiotut matemaattiset työkalut teorioiden käsittelemiseen ovat terävämpiä kuin koskaan. Hienostuneiden matemaattisten menetelmien hallitseminen ei kuitenkaan ole sama asia kuin sen tietäminen, mitkä ongelmat ovat merkittäviä ja mistä suunnasta niitä pitäisi lähestyä.

Teorioiden kehittelyssä on jatkettu samaa latua, ja vaikka ideoille ei ole saatu varmennusta, jotkut teoreetikot ovat julistaneet ymmärryksemme syventyneen siksi, että tutkijoiden piirissä tietyt ideat ovat vakiintuneet, aivan kuin tietoa maailmasta voisi saada vakuuttamalla kollegoita siitä, kuka on eniten oikeassa.

Samalla kun supersymmetrialle, teknivärille ja muille vanhoille teoreettisille rakennelmille rakennetaan jatkoa, on jo totuttu siihen, että niiden alue kapenee yhä pienemmäksi, kun ne eivät saa tukea havainnoilta. Aina voi toivoa uuden kulman takaa paljastuvaa löytöä, mutta vaikka erilaisiin poikkeamiin kiiruhdetaan esittämään selityksiä, harva yllättyy, kun ne kerta toisensa jälkeen osoittautuvat kohinaksi tai systemaattiseksi ongelmaksi, ja Standardimalli varmistuu taas.

Hiukkaskosmologeilla onkin oireellisesti tapana käyttää leikillään ilmaisua ”oikea fysiikka” sellaisesta tutkimuksesta, joka käsittelee tunnettuja asioita (kuten Maan ilmakehää tai Aurinkoa), vastakohtana oman alan spekulaatioille uusista perustavanlaatuisista laeista.

Voisi sanoa, että teoriat ovat osoittautuneet paremmiksi kun teoreetikot, ja saattaa tuntua siltä, että vanhoina aikoina tieteilijät olivat älykkäämpiä. Tutkijat voivat kuitenkin varmistua uusien lakien löytämisestä vain silloin, kun ne ovat havaintojen saavutettavissa, ja ilman havaintoja on vaikea tietää minne päin suunnata. LIGOn havainnot mustien aukkojen törmäyksistä avaavat ennennäkemättömän vahvat gravitaatiokentät tutkimuksen kohteeksi, ja koe saattaa myös törmätä johonkin aivan odottamattomaan. Uusia arvoituksia kaivataan hiukkaskosmologian piristykseksi.

---

Leikistä, kysymyksistä ja aalloista

15.2.2016 klo 18.08, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Keskiviikkona 17.2. kello 18.00 minua haastatellaan Helsingissä Kirjasto kympissä Aku Ankan päätoimittajan Aki Hyypän kanssa leikistä ja luovuudesta tuOKio-klubilla.

Perjantaina 19.2. kello 14.15 on Kumpula NYT –tilaisuus ”Gravitaatioaallot ja mustat aukot” Kumpulan Exactum-rakennuksen salissa A111. Kari Enqvist puhuu aiheesta ”Yleinen suhteellisuusteoria ja gravitaatioaallot”, Peter Johansson aiheesta ”Mustien aukkojen astrofysiikka” ja Esko Keski-Vakkuri aiheesta ”Gravitaatioaaltojen havaitseminen ja LIGO”. He pitävät lyhyet esitykset, joiden jälkeen voi esittää kysymyksiä. Tilaisuus on avoin, eikä siihen tarvitse ilmoittautua.

Lauantaina 12.3. kello 17.30 juttelen ammattikorkeakoulu Metropoliassa isoista kysymyksistä kirkkoherra Kari Kanalan, evoluutiobiologi Tuomas Aivelon ja tanssitaiteilija Metsälintu Pahkinin kanssa. Liput 5 euroa.

Uusimmassa Tiedepolitiikka-lehdessä (4/2015) on tutkijoiden vastuusta kertova artikkelini ”Tiedettä apartheidin aikaan”. Artikkeli alkaa seuraavasti: ”Muistelen science fiction –kirjailija Brian Aldissin sanoneen, että sen jälkeen, kun keinotekoinen aurinko syttyi Hiroshiman yllä vuonna 1945, hän on tuntenut elävänsä scifitarinassa.”

---

Meri ei ole tyyni

12.2.2016 klo 18.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Eilen LIGO-tutkimusryhmä julisti havainneensa kahden mustan aukon törmäyksessä syntyneitä gravitaatioaaltoja, ja yksityiskohdat kertova tieteellinen artikkeli ilmestyi samaan aikaan lehdistötilaisuuden kanssa. Havainto on saanut ansaittua huomiota; mainitsen laajasta kirjosta vain Kari Enqvistin oodin tieteelle, Quantan kiinnostavan katsauksen LIGOn historiaan ja Naturen selkeän kuvauksen.

LIGO on etsinyt gravitaatioaaltoja vuodesta 2002 alkaen. Vuonna 2011 kirjoitin seuraavasti LIGOn uudesta vaiheesta, jonka oli määrä käynnistyä 2014 (se alkoi vasta 2015):

”lähiajan odotus keskittyy Advanced LIGOon, mutta silläkin saattaa kestää joitakin vuosia ennen saaliin nappaamista. Hyvä puoli gravitaatioaalloissa on se, että niitä on lähes varmasti olemassa ja niillä on meille kiinnostavaa kerrottavaa. Harmillista on se, että ei tarkkaan tiedetä paljonko lähteitä ympäristössä on, eli kuinka herkällä korvalla pitää kuunnella, että aaltojen äänen kuulee metelin seasta.”

Arviot Advanced LIGOn näköpiirissä olevien toisiinsa törmäävien mustien aukkojen, neutronitähtien ja muiden aika-avaruutta kovasti hölskyttelevien tapausten lukumäärästä vaihtelivat välillä ”kerran kahdessa vuodessa kolmeen törmäykseen päivässä”. Vuosien vesiperän jälkeen LIGOlla kävi tuuri, kun sen parannettu versio Advanced LIGO havaitsi kahden mustan aukon törmäyksen heti syyskuussa 2015, kun detektori oli vielä koeajossa.

LIGO näki kahden noin 30 kertaa Aurinkoa raskaamman mustan aukon kiertävän toisiaan, törmäävän ja sulautuvan yhdeksi noin 60 Auringon massan painoiseksi mustaksi aukoksi. Tämä aika-avaruutta repivä prosessi kesti noin puoli sekuntia, jona aikana mustat aukot lähettivät gravitaatioaaltoina energiaa kolmen Auringon massan verran. Tämä on noin 50 miljoonaa miljoonaa kertaa enemmän kuin Auringon yhdessä vuodessa valona säteilemä energia. Törmäys tapahtui noin miljardi vuotta sitten, jolloin Maapallolla tuskin oli vielä yksisoluisia olentoja monimutkaisempaa elämää. Gravitaatioaallot ovat miljardin valovuoden matkallaan heikentyneet niin paljon, että ne venyttävät aika-avaruutta vain 10^(-21) verran: LIGOn neljän kilometrin detektorin pituus muuttuu niiden kulkiessa sen läpi vain protonin halkaisijan tuhannesosan, mutta se on äärimmäisen tarkoille laitteille tarpeeksi. (En saa potensseja toimimaan blogialustalla, mutta tuossa on siis 21 nollaa: pituudet muuttuvat suhteellisella tekijällä 0.000000000000000000001.)

Gravitaatioaallot on epäsuorasti havaittu jo vuonna 1974, ja siitä myönnettiin Nobelin palkinto 1993. Tämä on kuitenkin ensimmäinen kerta, kun gravitaatioaaltoja on nähty suoraan. Tilannetta voi verrata Higgsin hiukkasen löytämiseen vuonna 2012. Se, että hiukkasten (erityisesti W- ja Z-bosonien) massat selittyvät Higgsin kentän avulla tiedettiin jo 1970-luvulla ja hiukkasfysiikan Standardimallia oli testattu tarkkaan, mutta Higgs saatiin suoraan haaviin myöhemmin. Myös yleistä suhteellisuusteoriaa on testattu monin tavoin sen satavuotisen taivaleen varrella. Teoriaa olisi erittäin vaikea muuttaa siten, että gravitaatioaaltoja ei olisikaan, mutta sopu muiden havaintojen kanssa säilyisi.

Gravitaatioaaltojen etsinnällä on kompuroiva historia, alkaen Joseph Weberin 1960-70-luvulla väittämistä löydöistä, ja muistissa ovat BICEP2-koeryhmän vääriksi osoitteutuneet väitteet vuonna 2014 maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla syntyneiden gravitaatioaaltojen epäsuorasta havaitsemisesta. LIGO on kuitenkin vankemmalla pohjalla kuin aiemmat yrittäjät.

LIGOn havainto perustuu törmäävien mustien aukkojen yksityiskohtaiseen tutkimiseen tietokoneella. 2000-luvun alussa tapahtui läpimurto, kun yleisen suhteellisuusteorian monimutkaisille yhtälöille kehitettiin tietokoneilla ratkaistavaksi sopiva muoto. Tämän avulla saatettiin tutkia yksityiskohtaisesti, mitä mustien aukkojen törmäyksessä tapahtuu. LIGO-koeryhmällä on laskettuna 250 000 erilaista mustien aukkojen törmäystä, ja tiedetään tarkalleen, minkä näköinen gravitaatioaalto niistä tulee. Nyt tehty havainto vastaa kirjastosta löytyvää signaalia. Ainoa kysymysmerkki oli se, että ei tiedetty tarkalleen, paljonko mustia aukkoja lähipiirissä törmäilee.

Lisäksi LIGOlla on kaksi eri havaintolaitetta, jotka näkevät saman signaalin 7 millisekunnin viiveellä, mikä valonnopeudella matkaavilta aalloilta kestää kulkea detektorilta toiselle. Mahdolliset virhelähteet on myös tutkittu tarkemmin kuin BICEP2:n tapauksessa, ja LIGOn tutkimus on käynyt läpi vertaisarvioinnin (niin paljon kuin siitä hyötyä on) ennen lehdistötilaisuuden järjestämistä, toisin kuin BICEP2:n.

LIGOn havainto on helppo varmentaa toistamalla, koska sen odotetaan nyt näkevän paljon gravitaatioaaltoja. Löytö saattaakin antaa lisäpontta paljon kauemmas näkevien eLISA-gravitaatioaaltosatelliittien projektille. Yhdysvallat on lopettanut tuon hankkeen rahoittamisen, mikä on osaltaan voinut vaikuttaa siihen, että LIGO-ryhmä kehuu saamansa yhdysvaltalaisen rahoituksen kaukokatseisuutta ja maan johtoasemaa tiedon edistämisessä, varmaankin toivoen, että tämä muistetaan jatkossa.

Gravitaatioaaltoja merkittävämpi löytö onkin se, että nyt ollaan ensimmäistä kertaa nähty kahden mustan aukon törmäys ja yhteen sulautuminen. Kirjoittaessani mustista aukoista vuonna 2011 sanoin, että ne ovat ”tunnetun fysiikan rajalla: enemmän kuin pelkkiä arveluita, mutta vailla kiistatonta kokeellista varmennusta”. Tämä on varsin konservatiivinen näkemys, suurin osa tiedeyhteisöstä on pitänyt mustia aukkoja varmana asiana epäsuorien havaintojen perusteella. Gravitaatioaaltojen avulla on kuitenkin mahdollista luodata mustien aukkojen voimakkaita gravitaatiokenttiä suoraan, ja selvittää niiden käytöksen yksityiskohdat, mahdollisesti jopa nähdä yleisen suhteellisuusteorian tuolle puolen.

LIGOn löytö on vuosikymmenien teoreettisen, laskennallisen ja kokeellisen työn huipentuma, mutta se on vasta alkua. Gravitaatioaalto-astronomien aikakausi on avattu, ja nyt odotetaan sitä, mitä kaikkea niiden avulla saadaan selville. Ne ovat täysin uusi kanava maailmankaikkeuteen, ja saattaa löytyä jotain yllättävää. Yleisen suhteellisuusteorian vanha mestari Kip Thorne, eräs LIGOn keskeisistä hahmoista, kuvaili tilannetta näin:

”On kuin olisimme nähneet merenpinnan vain tyynenä päivänä, mutta emme olisi koskaan nähneet sitä myrskyssä, valtameren aaltojen tyrskytessä.”

Aiheesta lisää voi kuulla Kumpula NYT –tilaisuudessa ”Gravitaatioaallot ja mustat aukot” perjantaina 19.2. kello 14.15. Tilaisuus on Exactum-rakennuksen salissa A111. Kari Enqvist puhuu aiheesta ”Yleinen suhteellisuusteoria ja gravitaatioaallot”, Peter Johansson aiheesta ”Mustien aukkojen astrofysiikka” ja Esko Keski-Vakkuri aiheesta ”Gravitaatioaaltojen havaitseminen ja LIGO”. He pitävät lyhyet esitykset, joiden jälkeen voi esittää kysymyksiä. (Enqvist ja Keski-Vakkuri olivat muuten väitöskirjani ohjaajia.) Tilaisuus on avoin, eikä siihen tarvitse ilmoittautua.

Klimppejä ja kompastuksia

27.1.2016 klo 22.52, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Minulta ja kymmeneltä kollegalta on ilmestynyt sivustolla CQG+ kirjoitus siitä, miksi kosmologiassa ei voida sivuuttaa sitä, että aine on klimppiytynyt. Tarkemmin sanottuna on kyse siitä, että maailmankaikkeuden rakenteet, kuten galaksit ja niistä muodostuvat rihmat, seinämät ja onkalot, voivat vaikuttaa siihen, miten maailmankaikkeus laajenee. Ne jopa mahdollisesti selittävät kiihtyvän laajenemisen ilman pimeää energiaa.

Se, miten epätasaisuuksia sisältävä avaruus keskimäärin laajenee on vaikea ja kiistelty aihe yleisessä suhteellisuusteoriassa. Jotkut tutkijat ovat sitä mieltä, että kysymys on yksinkertainen, ja että on tiedetty jo kauan, että keskimääräinen laajeneminen on samanlaista, kuin jos aine olisi jakautunut tasaisesti.

Yleisen suhteellisuusteorian arvostettu mestari Robert Wald ja hänelle väitöskirjan tehnyt Stephen Green kuitenkin totesivat, että yleensä esitetyt argumentit eivät ole paikkansapitäviä ja kiinnostuivat tutkimaan asiaa tarkemmin. Keskustelimme aiheesta pitkään vieraillessani vuonna 2010 Chicagon yliopistossa, jolloin olin tutkinut sitä seitsemän vuotta.

Green ja Wald kehittivät oman tapansa laskea klimppien vaikutusta ja julkaisivat sarjan artikkeleita, joissa he väittivät ratkaisseensa ongelman ja osoittaneensa, että rakenteilla ei tosiaan ole vaikutusta. Monet asian parissa työskennelleet tai yleistä suhteellisuusteoriaa muuten tuntevat suhtautuivat työhön kiinnostuneesti, mutta löysivät pian sekä uudesta lähestymistavasta että sen soveltamisesta pulmia ja puutteita.

Viime vuonna joukko meitä kirjoitti yhdessä lehteen Classical and Quantum Gravity artikkelin, jossa ruodimme Greenin ja Waldin lähestymistapaa ja setvimme ongelman nykytilaa. Kirjoittajien joukossa on eräitä maailman arvostetuimpia kosmologeja ja yleisen suhteellisuusteorian asiantuntijoita, sekä vähäisempiä nimiä, kuten minä. CQG+ on kyseisen lehden populaareja ja puolipopulaareja tekstejä julkaiseva oheissivusto. Yritimme siellä ilmestyneessä tekstissämme tiivistää 38-sivuisen artikkelimme viestin tuhanteen sanaan tavalla, joka aukeaa muillekin kuin alan asiantuntijoille, pitäytyen asioissa, joista kaikki 11 kirjoittajaa olemme samaa mieltä.

Aiheen kiistanalaisuudesta kertoo jutun julkaisuprosessi. Alun perin lehti pyysi meiltä puolipopulaaria juttua. Syynä oli se, että tieteellisen artikkelimme lukeneet kolme vertaisarvioijaa sattuivat kaikki tykkäämään siitä kovasti. (Tästä tosin ei voi oikeasti päätellä sitä, että artikkeli olisi poikkeuksellisen hyvä; vertaisarvioinnissa on paljon sattumanvaraisuutta.) Kirjoitimme jutun, se oikoluettiin ja hyväksyttiin julkaistavaksi. Sitä ei kuitenkaan ilmestynyt sivuille, ja lopulta lehden toimitus ilmoitti, että sitä ei julkaistakaan.

Syy oli yllättävä. Tekstimme ei toimituksen mukaan sopinut julkaistavaksi, koska se keskittyi asiaan, josta tutkijat ovat eri mieltä. Toimittaja oli kuullut, että jotkut kiistan eri puolilla olevista ihmisistä olivat pahoittaneet mielensä, eikä lehti halua julkaista tekstiä, mistä joku saattaisi pahoittaa mielensä vielä lisää.

Kyseltäessä yksityiskohtia selitykset muuttuivat vielä oudommiksi. Toimitus sanoi, että teksti jossa kerrotaan henkilöiden välisestä kiistasta (kuten lehti asiaa nimitti) ei sovi CGQ+:aan, koska sivusto keskittyy henkilöihin, ei tieteeseen. Toisaalta se kertoi, että koska CQG+ ei ole vertaisarvioitu, siellä ei voida julkaista tekstiä, missä sanotaan jonkun olevan väärässä, koska lehti voidaan haastaa oikeuteen kunnianloukkauksesta. Kolmannekseen toimitus oli sitä mieltä, että koska tieteellinen artikkelimme on jo julkaistu, sen keskeisen sisällön toistaminen ei tuo lisäarvoa. (Meiltä oli siis pyydetty teksti CGQ+:n sarjaan, jossa kerrotaan lehdessä olevista artikkeleista.)

Tilanteen eriskummallisuutta lisää se, että lehdessä julkaistu tieteellinen artikkelimme oli paljon kriittisempi kuin kirjoittamamme puolipopulaari juttu. Sovimme lehden kanssa, että muokkaamme tekstiä siten, että siinä sanotaan vähemmän suoraan, että toiset tutkijat ovat väärässä, ja niinpä se sitten viime viikolla julkaistiin. Kenties joidenkin kirjoittajien nimekkyys auttoi asiaa. En tiedä, miten olisi käynyt, jos saman tekstin takana olisi ollut yksinäinen nuori tutkija vailla arvovaltaa.

En ole tieteellisten artikkelien yhteydessä koskaan törmännyt moiseen kampitukseen. Tavallaan tapaus onkin ilahduttava muistutus siitä, että vaikka tieteellisessä vertaisarvioinnissa on ongelmia ja se on rajoittunutta, se kuitenkin edistää paikkansapitävyyttä ja kriittistä argumentointia tehokkaammin kuin uutislehtien ja populaareja tekstejä julkaisevien sivustojen journalistiset, kaupalliset ja poliittiset kriteerit.

Mitä itse asiaan tulee: rakenteiden vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen on yhä tuntematon.

Avoimet ovet

7.1.2016 klo 21.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainitsin tieteellisestä julkaisemisesta kirjoittaessani (aiheesta lisää täällä ja täällä), että vuonna 2016 aloittaa matematiikan lehti Discrete Analysis, joka hoitaa vain vertaisarvioinnin ja jonka artikkelit julkaistaan vain ilmaisessa nettiarkistossa arXiv. Mainitsin myös huhuista, että kosmologiaan olisi tulossa vastaava julkaisu. Nyt tuo nimellä Open Journal of Astrophysics (OJA) varustettu lehti on myös avannut ovensa.

Mahdollisuutta kosmologian ja astrofysiikan arXiv-pohjaisesta lehdestä on tutkittu jo vuonna 2007 RIOJA-projektissa, ja kosmologi Peter Coles ehdotti toimeen tarttumista kesällä 2012. Coles on OJA:n päätoimittaja, ja hän kertoo blogissaan lehden käytännöistä. Blogissa on myös toimituspäällikkö Adam Beckerin havainnollistava video lehden toiminnasta.

OJA:ssa julkaiseminen ja sen lukeminen on ilmaista. Vertailun vuoksi, Discrete Analysis velottaa 10 dollaria per artikkeli, ja perinteisissä lehdissä julkaiseminen maksaa tiedeyhteisölle noin 3800-5000 euroa per artikkeli. Naturen uutisessa OJA:sta yksi haastateltu astrofyysikko sanoo, että tällaista lehteä ei tarvita, koska artikkelit ovat kuitenkin arXivista saatavissa. Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten tärkeää kirjastojen olisi kertoa tutkijoille, miten kalliita lehdet ovat ja miten niihin uppoaa tieteen budjetista miljardeja euroja vuosittain.

Koska arXivista ei ole mahdollista vetää artikkeleita pois näkyvistä vaikka haluaisi, OJA toteuttaa open accessin sen laajimmassa merkityksessä. Lehdellä ei ole mitään mahdollisuutta tulevaisuudessakaan laittaa artikkeleita maksumuurin taakse eikä muutenkaan estää ketään lukemasta artikkeleita, ja ne ovat luettavissa, vaikka lehti lakkaisi olemasta. Artikkelit julkaistaan Creative Commonsin Attribution-lisenssillä, ja verkkosivujen koodi on avoin MIT-lisenssillä.

Se, että tutkijayhteisö perustaa uusia lehtiä julkaisijoiden kohtuuttomien hintojen ohittamiseksi ei ole uutta. Hiukkasfysiikan Journal of High Energy Physics (JHEP) perustettiin 1997 tässä hengessä, ja sitä seurasi 2003 Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP). Molemmista tuli nopeasti alan johtavia lehtiä. Nyt niidenkin hinnat tosin ovat turhan korkeat ja ne ovat mukana haitallisessa SCOAP³-hankkeessa. Joidenkin kaupallisten matematiikan lehtien toimituskunnat ovat eronneet jo kymmenisen vuotta sitten ja perustaneet halvempia lehtiä, ja muilla aloilla on toimittu samoin.

Nyt kuitenkin uudesta lehdestä on karsittu kaikki tarpeeton. JHEP ja JCAP jo lopettivat paperille painamisen, OJA lopettaa arXivista erillisen julkaisemisen ja hoitaa ainoan asian, mihin lehtiä vielä tarvitaan, eli vertaisarvioinnin.

OJA:n vertaisarviointi noudattaa samaa kaavaa kuin muidenkin lehtien, mutta arviointikommentit voidaan julkaista kirjoittajien ja arvioijien suostumuksella. Tämä on omiaan parantamaan vertaisarviointia ja lehden toimittajien motivaatiota arvioida vertaisarvioinnin laatua, mikä on nykyään hyvin vaihteleva. OJA:ssa on kätevä käyttöliittymä vertaisarvioinnille: kommentit ja vastaukset niihin merkitään suoraan paperin pdf:ään, ja arvioijien ja kirjoittajien on mahdollista kommentoida toistensa huomioita. Onkin jo aika päivittää arviointi käyttämään nykyaikaisia toimitusmenetelmiä erillisten raporttien ja vastausten sijaan, joissa viittaaminen paperin tiettyyn riviin tai yhtälöön on kömpelöä.

Coles toivoo, OJA:n sapluunalla tehtäisiin lehtiä muille aloille. Ovet ovat auki: tekninen toteutus on vapaasti käytettävissä, tarvitaan vain nimekkäitä tutkijoita, jotka ryhtyvät editoreiksi ja joitakuita auttamaan teknisen osuuden pyörittämisessä, mistä lienee kohtuullisen vähäinen vaiva. Arkistopohjainen lehti tietysti edellyttää sitä, että alalla on olemassa arXivin kaltainen nettiarkisto, missä artikkelit julkaistaan.

Coles kuvailee, että lehti on ”palvelus akateemiselle yhteisölle, ei voittoa hakeva hanke”. Tällainen toiminta on mahdollista, koska tieteilijöille ei makseta palkkaa ennalta määrättyjen tehtävien suorittamisesta, vaan heillä on vapaus toimia tieteen edistämiseksi parhaaksi katsomallaan tavalla, vaikkapa pistämällä pystyyn uusia lehtiä ja nikkaroimalla niiden verkkosivuja julkaisujen määrän maksimoimisen sijaan. Nykyään kuulee sellaistakin, että tällainen akateeminen vapaus olisi vanhanaikaista ja jotenkin vastakkaista ’huippututkimukselle’ ja sovellusten saamiselle, mutta tilanne on aivan päinvastoin: tieteen edistyminen ja yllättävät sovellukset edellyttävät toiminnan vapautta.

---

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.