Kosmokseen kirjoitettua

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:

 

---

Kauneus kosmologiassa

31.8.2015 klo 00.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Edellisessä merkinnässä kirjoitin tilasta kosmologiassa, Mäntän museo Gustafissa Antero Toikan näyttelyn Visio 2015 yhteydessä 26.8. pitämäni puheen tiimoilta. Jatkan tässä kauneudesta: luistin otsikosta sen verran, että puheeni käsitteli kauneutta fysiikassa yleisesti, ei vain kosmologiassa. (Aiempia hahmotelmia aiheesta täällä.)

Edellisessä merkinnässä tuli esille jo yksi fysiikan ja kauneuden yhteys. Vaikka fysiikan kuvaamilla tosiseikoilla ei ole inhimillistä kosketuspintaa, niistä kerrotut tarinat vetoavat tunteisiin, ja voivat olla kauniita tai rumia, koskettavia ja kauhistuttavia.

Ilmeisin yhteys fysiikan ja kauneuden välillä lienee kuitenkin se, että jotkut fysikaaliset ilmiöt ovat hyvännäköisiä. Esimerkiksi tällä Planck-satelliitin tutkimusryhmän Linnunradan magneettikentästä tekemää kartalla on nähty taiteellista arvoa (täällä on siitä toinen kuva):

Ainakin kosmologien mielestä tämä WMAP-satelliitin havaintojen perusteella tehty kartta kosmisen mikroaaltotaustan kirkkausvaihteluista on erittäin kaunis sekin:

Näiden kahden kuvan esteettisten arvojen välillä on sellainen ero, että ensimmäistä on kehuttu enimmäkseen sen ulkonäön perusteella, kun taas jälkimmäiseen tutkijat ovat ihastuneita myös siksi, että sen laikut kertovat maailmankaikkeuden varhaisista ajoista, ja niiden jakaumalla on viehättävä matemaattinen lainalaisuus. Tässä lähestytään syvempää kauneuden muotoa: fysiikassa kauniita eivät vain ole ilmiöt, vaan myös säännöt niiden taustalla.

Nämä säännöt, fysiikan lait, yhdistävät erilaisia ilmiöitä. Alla olevat kuvat vedestä ja pilvistä eivät vain näytä kauniilta, ne myös osoittavat, millaisia ratkaisuja nesteiden ja kaasujen virtauksia käsittelevillä Navier-Stokes –yhtälöillä voi olla.

    

Molemmat kuvat ovat siten esittävät, paitsi vettä ja pilviä, myös tietynlaisen matemaattisen rakenteen mahdollisia ilmentymiä. Asiasta voi ottaa yksinkertaisemman, ja siksi kenties vaikeammin ymmärrettävän, esimerkin.

          

Vasemmanpuoleisessa kuvassa on galakseja, oikeanpuoleisessa omenoita. Vaikka näillä kuvissa olevilla kappaleilla on monia eroja, niillä on ainakin yksi yhteinen ominaisuus: molempia on kolme. Voidaan sanoa, että ne ovat esimerkkejä kokonaislukujen rakenteeseen liittyvän matemaattisen käsitteen ’kolme’ ilmenemisestä maailmassa. (Kokonaisluvut eivät ole niin yksinkertainen asia kuin luulisi, niitä koskeva lukuteoriana tunnettu matematiikan haara on aktiivinen tutkimuskohde.)

Fysiikassa on kauneutta, joka ei liity matemaattisten rakenteiden yksittäisiin ilmentymiin, vaan rakenteisiin itseensä; ei esineisiin eikä tapahtumiin, vaan esineiden ja tapahtumien säännönmukaisuuteen eli lakeihin. Fysiikan lait kuvaavat samaan aikaan kaikkia mahdollisia esineitä ja tapahtumia, ne ovat sääntöjä mahdollisuuksille, muotojen muotoja.

Fysiikan laeilla on oma kauneutensa, joka on niiden ilmentymien kauneutta yleisempi ja abstraktimpi. Niin lakeja kuin niiden ilmentymiä kuvataan yhtälöillä. Yksittäistä tapahtumaa kuvaavan yhtälön suhde tapahtumaan on kuin nuottien suhde kappaleeseen. Jos musiikkia ei voisi kuulla, niin vain nuottikirjoituksen hallitsevat pystyisivät arvostamaan sen kauneutta. Fysiikan kuvaamien ilmiöiden kauneuden pystyy tuntemaan aistein, mutta lakien kauneuden voi kokea vain sisäisesti. Fysiikan lait ovat kuin nuottikirjoituksen sääntöjä, jotka kertovat millaisia kappaleita voi olla olemassa.

On eri tasojen fysiikan lakeja, joilla on oma kauneutensa. On perustavanlaatuisia lakeja, joita ei toistaiseksi voi johtaa mistään, tällä hetkellä näitä ovat yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttikenttäteoria (tarkemmin sanottuna sen sovellus Standardimalli). Sitten on emergenttejä lakeja, jotka on periaatteessa johdettavissa perustavanlaatuisemmista laeista ja jotka kuvaavat karkeampia asioita: kvarkkien sijaan atomiytimiä, tai kaasun ja tähtien sijaan galakseja. Perustavanlaatuisemmat lait ovat yleensä periaatteiltaan yksinkertaisempia ja rakenteeltaan kauniimpia, mutta joskus vaakakuppi on toisin päin.

Eräs kauneuteen liittyvä asia on yksinkertaisuus, mikä on helppo hahmottaa peleihin vertaamalla. Shakin säännöt ovat yksinkertaiset, vaikka niistä rakentuu lukemattomia monimutkaisia otteluita. Ei olisi kummoinenkaan suoritus keksiä kymmenen uutta sääntöä, jotka tekisivät pelistä helpomman tai vaikeamman, mutta sellaisten lisäysten keksiminen, jotka tekisivät siitä kauniimman on paljon haastavampaa. Yksinkertaisuuden estetiikka näkyy myös nykyaikaisten lautapelien ja korttipelien suunnittelussa: osa siitä on satunnaiselle pelaajallekin selvää, jotakin arvostanevat kunnolla vain toiset suunnittelijat. Kuten pelien tapauksessa, ei fysiikassakaan kauneus kuitenkaan pelkisty yksinkertaisuuteen. Eräs toinen keskeinen käsite on symmetria.

Symmetria tarkoittaa fysiikassa sitä, että lait pysyvät samana jonkin asian muuttuessa. (Tarkemmin symmetriasta täällä.) Esimerkiksi fysiikan lait eivät muutu, jos avaruus kierretään uuteen asentoon, eli mikään suunta ei ole erityisasemassa. Symmetriat voivat olla huomattavasti hienostuneempia, ja nykyfysiikassa lakien symmetrioita pidetään niiden keskeisimpänä ominaisuutena. Mitä enemmän symmetriaa laeilla on, sitä ainutlaatuisempi niiden rakenne on, vaikka symmetrian ilmenemismuodot voivat olla hyvin moninaisia, aivan kuten yksinkertaisen lakien kuvaamat ilmiöt voivat olla monimutkaisia.

Symmetria on sääntö, joka rajoittaa sitä, millaisia fysiikan lait voivat olla, sääntö säännöille. Näilläkin periaatteilla, joilla lakeja rakennetaan, on oma estetiikkansa: jotkut symmetriat ovat kauniimpia kun toiset. Tästä estetiikasta on kuitenkin epämääräisempi taju kuin lakien estetiikasta. Pelivertauksessa kyse olisi säännöistä, joiden mukaan peleille kehitetään sääntöjä. Kuten pelien kehittämiselle, myös fysiikan lakien etsimiselle on hyödyllisiä ohjenuoria, mutta ei juuri ehdottomia sääntöjä. Fysiikassa on erona se, että ei ole vain elegantteja ja kömpelöitä sääntöjä, on myös oikeita ja vääriä lakeja, eli jotkut niistä kuvaavat todellisuutta ja toiset eivät. Näiden kahden erottamisessa, ja siten maailmankaikkeutemme ymmärtämisessä, on harjaantunut kauneuden taju osoittautunut tärkeäksi.

---

Tila kosmologiassa

28.8.2015 klo 20.12, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minua oli pyydetty puhumaan 26.8. Mäntän museo Gustafissa Antero Toikan näyttelyn Visio 2015 yhteydessä. Toikan töihin ilmeisesti liittyvien käsitteiden mukaisesti puhuin otsikolla ”Tila ja kauneus kosmologiassa”. Kirjoitan tässä esityksestä, rönsyjä karsien; tarjolla on hahmotelmia aiheen tiimoilta, ei hiottu kokonaisuus. Pituuden vuoksi jaan tekstin kahteen osaan, joista tämä ensimmäinen käsittelee tilaa ja maanantaina ilmestyvä kauneutta.

Käsityksemme tilasta ja koosta perustuu arkisiin pituuksiin. Evoluution myötä olemme kehittyneet hahmottamaan sellaisia pituusskaaloja, joiden ilmiöt ovat oleellisia henkiinjäämiselle ja joihin voimme tietoisesti vaikuttaa. Maailmankaikkeuden tutkimus on lähtenyt liikkeelle tutuista mitoista kohti laajemman maailmankaikkeuden ja pienemmän sisäavaruuden salaisuuksia.

On saatu selville, että meidän kokoluokkamme tapahtumien taustalla ovat pienessä mittakaavassa kvanttiteorian ja isossa yleisen suhteellisuusteorian lait. Molempien paljastama kuva maailmasta on tyystin erilainen kuin se, joka arkiskaalojen perusteella luultiin todeksi. Niinpä emme voi ankkuroitua arvioimaan lyhyempiä ja isompia mittakaavoja pelkästään arkisten käsitysten pohjalta, täytyy myös arvioida uudelleen oman kokoluokkamme tapahtumia.

Näillä periaatteellisilla muutoksilla maailmankuvaan ei kuitenkaan ole juuri merkitystä käytännön toiminnan kannalta (paitsi mitä tulee niiden hyödyntämiseen teknologiassa – kvanttimekaniikka on mullistanut arkemme). Syynä on se, että maailmankaikkeus on rakentunut hierarkisesti: kokonaisuudet muodostuvat pienemmistä osista palikka palikalta, mutta isot rakenteet eivät ole herkkiä pienten yksityiskohdille. Tiilitaloja voi rakentaa kvanttiteoriasta välittämättä, eikä ilmastonmuutos heilauta planeettoja suuntaan tai toiseen.

Me koostumme soluista, joiden osaset kasautuvat molekyyleistä, jotka puolestaan ovat atomien kokoelmia; atomit koostuvat ytimistä ja elektroneista, ja ytimet ovat rakentuneet protoneista ja neutroneista, jotka ovat toisiinsa sitoutuneiden kvarkkien säkkejä. Yhtä lailla ylöspäin: Linnunrata koostuu pienistä yksiköistä, aurinkokunnista ja kaasupilvistä, galaksit muodostavat ryppäitä, jotka ovat sitoutuneet superryppäiksi jopa miljardin valovuoden pituuteen, eikä Aurinkokunnan tapahtumilla ole niiden mittakaavassa sen vertaa merkitystä kuin yhdellä molekyylillä ihmiselle. Kosmologisten rakenteiden mittakaavoja voi tutkailla Millennium-simulaatiosta (paremman resoluution versioita löytyy täältä).

Näiden tasojen luetteleminen muistuttaa mittakaavojen äärimmäisyydestä, mikä saattaakin olla ensimmäinen ajatus hiukkasfysiikan ja kosmologian tilaa miettiessä. Atomin koko suhteessa ihmiseen on sama kuin ihmisen koko suhteessa Aurinkoon, tai kirpun koko suhteessa Maahan. Atomiytimen koko suhteessa atomiin taas on sama kuin ihmisen koko suhteessa pölyhiukkaseen. Pienin luodattu pituusskaala, jota LHC nuohoaa 40 miljoonaa kertaa sekunnissa, on kymmenentuhatta kertaa tätä pienempi.

Suunnattaessa katse ulos avaruuteen mittakaavaerot ovat vielä isompia. Ihmisen koko suhteessa Aurinkokuntaan on kuin atomin koko suhteessa vuoreen. Suhteessa Linnunrataan Aurinkokunta on kuitenkin vain pölyhiukkanen vuoressa. Tällaisia eroja on vaikea käsittää.

Kun siirrytään tähtitieteen mitoista kosmologiaan, suhteista tulee helpommin hahmotettavia. Koska kosmologiassa ollaan kiinnostuneita maailmankaikkeudesta kokonaisuutena, ei sen sisältämistä kappaleista, on galaksien koko pienin kiinnostava pituus. Galaksien sisällä on nimittäin tapahtunut niin suuri myllerrys, että on vaikea saada selkoa siitä, millainen aineen jakauma oli ennen galaksin muodostumista. Siinä, miten galaksit ovat jakautuneet avaruuteen näkyy sen sijaan vieläkin muinaisten aikojen kvanttivärähtelyjen jalanjälki.

Galaksien välinen tyypillinen etäisyys on noin 10-100 kertaa niiden halkaisijaa isompi. Jos galakseja ajattelee taloiksi ja tiluksiksi, joiden koko vaihtelee kymmenestä sataan metriin, niin ne olisivat noin kilometrin päässä toisistaan. Näkemämme osa maailmankaikkeudesta, joka on horisonttimme sisällä, on noin 10 000 kertaa galaksien välisen etäisyyden suuruinen. Eli jos talot on siroteltu kilometrin päähän toisistaan, niin näkyvä maailmankaikkeus olisi Maapallon kokoinen.

Tällä tapaa ilmaistuna kosmologian mittakaavat eivät tunnu kummoisilta. Tämä havainnollistaa sitä, että käsitteet ’iso’ ja ’pieni’ ovat merkityksellisiä vain jos kerrotaan, mikä on vertailukohta. Koko on itse asiassa aina suhteellista: kun sanomme, että vuoteen pituus kaksi metriä, tarkoitamme, että se on kaksi kertaa niin pitkä kuin sellainen asia, jonka on sovittu olevan metrin pituinen. (Aiemmin metri olikin määritelty mallikappaleen avulla, nykyään se perustuu valon nopeuteen.) Sama pätee kaikkiin yksiköihin: jos pituudet ja ajanjaksot kaksinkertaistetaan ja energiat puolitetaan, niin mikään ei muutu. Ainoastaan yksiköttömillä suhteilla on merkitystä.

Kuten käsityksemme luonnonlaeista, myös se, miten hahmotamme mittakaavoja on sidottu arjessa esiintyviin pituuksiin, lukuihin ja suhteisiin. Esimerkiksi 70 puuta tuntuu olevan paljon enemmän kuin 7 puuta, mutta ero 70 000 ja 7 000 puun välillä näyttää pienemmältä, vaikka erotus on isompi ja suhde sama. Lukujen kasvaessa niiden väli tuntuu lyhenevän. Evoluution kannalta tämä on ymmärrettävää: on tärkeää hahmottaa ero kolmen ja kolmenkymmenen hyeenan välillä, mutta on yksi lysti onko niitä satoja vai tuhansia, ja sen selvittäminen on varmaankin myös laskennallisesti vaativampi tehtävä aivoille. Käsitys suhteista kosmologiassa ja hiukkasfysiikassa tiivistyy samalla tavalla mentäessä isoihin tai pieniin mittakaavoihin: samansuuruiset suhteet tuntuvat yhä pienemmiltä.

Kosmologian tilakäsitys ei ole erityinen siksi, että mittakaava olisi iso, vaan siksi, että se kehittyy ajassa. Maailmankaikkeus laajenee ja sen rakenteet kasvavat, eikä ole pysyvää paikan tai ajan mittatikkua. Muuttumaton nopeuden mitta sen sijaan on: valonnopeus, c = 300 000 km/s, joka nivoo ajan ja paikan yhteen.

Jos valitaan ajan ja paikan yksiköt siten, että c = 1, eli 1 s = 300 000 km, niin molempia voi mitata metreissä (tai sekunneissa, oman maun mukaan). Voidaan myös mitata ei vain suuntia ajassa ja avaruudessa erikseen, vaan myös etäisyyksiä yli sellaisten välien, joissa alku- ja loppupisteellä sekä aika että paikka ovat erilaiset. Esimerkiksi voi mitata, mikä on etäisyys siitä, kun tulee aamulla työhuoneelle siihen, kun palaa illalla kotiin. Käsitys erillisistä ajasta ja avaruudesta muuttui suppean suhteellisuusteorian myötä ymmärrykseksi aika-avaruudesta, joka puhkesi täyteen kukkaan sata vuotta sitten yleisessä suhteellisuusteoriassa. Käsitys tilasta ja muodoista laajenee suhteellisuusteorian myötä kolmiulotteisesta avaruudesta neliulotteiseen aika-avaruuteen.

Yksinkertainen sovellus ajan ja paikan vertaamisesta toisiinsa on valovuosien ja vuosien samaistaminen. Aurinkokunnan koko on noin 10 valotuntia, Linnunradan 100 000 valovuotta ja näkyvän maailmankaikkeuden 100 miljardia valovuotta. Kymmenessä tunnissa Aurinkokunta ei juuri ehdi muuttua. Linnunradan kiertoaika on 200 miljoonan vuoden luokkaa, eli se kiertyy vain tuhannesosan verran sinä aikana, kun valo kulkee sen läpi. Koska informaatio kulkee korkeintaan valonnopeudella, näitä lukuja vertaamalla voi lukea, että Aurinkokunnan ja Linnunradan osat pysyvät tiiviissä yhteydessä: kun massajakauma jossain muuttuu, niin tieto siitä kantautuu pikaisesti muualle.

Maailmankaikkeus on noin 14 miljardin vuoden ikäinen, eivätkä kaikki näkemämme alueet ole ehtineet olla lainkaan yhteydessä. Aikaskaala sille, että maailmankaikkeudessa kokonaisuutena tapahtuu merkittäviä muutoksia on aina suunnilleen maailmankaikkeuden ikä, nykyään siis kymmenen miljardin vuoden luokkaa. Maailmankaikkeus muuttuu hitaasti, eivätkä eri osat liiku yhdessä. Isomman mittakaavan tapahtumat ovat enemmän erillään toisistaan kuin pienen, suurissa liikkeissä on väistämätön hitaus.

Tapahtumat myös hidastuvat maailmankaikkeuden vanhetessa. Mikrosekunnin aikaan neutroneiden ja protonien muodostuminen kesti joitakin mikrosekunteja, minuuttien iässä ydinten muodostuminen kesti minuutteja, nykyään rakenteiden kehitystä mitataan miljardeissa vuosissa.

Rakenteita ja tapahtumia kuvaava pituusskaalakin kasvaa ajan myötä. Varhaisina aikoina maailmankaikkeuden aine oli tasaista puuroa: kaikki paikat olivat jokseenkin samanlaisia. Maailmankaikkeuden laajentuessa aineen tiheys laskee, ja muodostuu monimutkaisia rakenteita, kuten galakseja, tähtiä, planeettoja ja ihmisiä. Kehitystä havainnollistaa tämä simulaatio (paremman resoluution versio löytyy täältä). Rakenteet muodostuvat hierarkisesti, pienestä isoon, samalla kun kosketuksissa olevan alueen, horisontin, koko kasvaa. Käsitys tilasta muuttuu, maailmankaikkeudesta tulee iän myötä monimutkaisempi.

---

Vieraus, kauneus, universumi ja vastuu

5.8.2015 klo 15.02, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Alla joitakin tietoja tämän syksyn julkisista esiintymisistä. Päivitän niitä kun uusia ilmenee; mainitsen esiintymisistä myös twitterissä.

Keskiviikkona 12.8. kello 18 puhun Turun biennaalissa aiheesta ”Vieras todellisuus”. Puheen kuvaus on seuraava: ”Viime vuosisadan alkupuolella moderni fysiikka teki odottamattoman paljastuksen: käsityksemme todellisuudesta on perustavanlaatuisella tavalla virheellinen. Itsestään selviltä tuntuvat käsitykset ajasta, avaruudesta, aineesta ja olemisesta ovat väärin. Toisaalta moderni fysiikka on myös johtanut kasvavaan ymmärrykseen siitä, mistä olemme peräisin.” Tilaisuus on maksuton.

Keskiviikkona 26.8. kello 18.00 puhun Mäntässä museo Gustafissa Antero Toikan näyttelyn Visio 2015 yhteydessä aiheesta ”Tila ja kauneus kosmologiassa”. Tilaisuus on maksuton.

Lauantaina 12.9. kello 9.00 puhun Rovaniemen Tieteen päivillä Lapin yliopiston taiteiden tiedekunnan Esko ja Asko –salissa aiheesta ”Universumin synty”. Samassa yhteydessä Karri Muinonen puhuu aiheesta ”Aurinkokunnan synty – eksoplaneetat” ja Kirsi Lehto aiheesta ”Elämän synty”. Puheeni kuvaus on seuraava: ”Miten maailmankaikkeus on syntynyt? Kosmisen inflaation mukaan kaikki näkemämme on peräisin ensimmäisen sekunnin murto-osan kvanttivärähtelyistä.” Tilaisuus on maksuton.

Torstaina 1.10. kello 13.30 puhun Edistyksen Päivillä Aalto-yliopiston kauppakorkeakoulun SOK-salissa A 301 (3. krs, Runeberginkatu 14–16) aiheesta ”Tiedettä apartheidin aikaan”. Puheen kuvaus on seuraava: ”Tiede, erityisesti luonnontiede, on mullistanut maailman. Samalla kun tieteen vaikutus on kasvanut, tieteilijöiden tutkimusalat ovat erikoistuneet. Mikä on erikoistuneiden tieteilijöiden vastuu maailmassa, jossa tutkimustulosten käyttöä ei voi ennustaa eikä hallita?”. Edistyksen päivien osallistumismaksu on 70 euroa kahdelta päivältä, 50 euroa yhdeltä, opiskelijoille 30/20 euroa. Ilmoittautuminen 25.9. mennessä lomakkeella.

Lauantaina 10.10. sanon kello 13.00 Käpylän kirjakalaasissa Käpylän kirjastossa jokusen sanan runoudesta ja kosmologiasta.

Tiistaina 13.10. kello 17.00 osallistun Helsingin yliopiston Tiedekulmassa Helsingin yliopiston 375-vuotisjuhlaan liittyvään paneelikeskusteluun akatemiasta ja ihmisoikeuksista jonka otsikko on ”Human rights discourse in different cultural contexts”. Alustan aiheesta ”Academic freedom, academic boycott, indoctrination and apartheid”. Muina osallistujina ovat Päivi Mattila, Reetta Toivanen ja Jukka Kekkonen. Keskustelu käydään englanniksi. Tilaisuus on maksuton.

Perjantaina 16.10. puhun Turun B-galleriassa aiheesta ”Kvanttitodellisuus”. Puheen kuvaus on seuraava: ”Kvanttimekaniikka on 1900-luvun myllertänyt fysiikan teoria, johon perustuu jokseenkin kaikki nykyteknologia. Se on myös mullistanut käsityksemme siitä, millainen maailma pohjimmiltaan on. Hahmottelen esityksessä sitä, miten kvanttimekaniikan paljastama kuva todellisuudesta eroaa arkikuvitelmistamme.”

Keskiviikkona 21.10. kello 9.30 puhun Kirjastoverkkopäivillä Helsingissä Metsätalolla avoimen julkaisemisen välttämättömyydestä ja ongelmista otsikolla ”Open publishing: lessons from particle physics”. Puhe on englanniksi.

Perjantaina 23.10. puhun Joensuun Skepsiksen ja LUMA-keskuksen tilaisuudessa pimeästä aineesta otsikolla ”Näkymätön luuranko: pimeä aine maailmankaikkeudessa”. Puheen kuvaus on seuraava: ”Silmin ja teleskoopein näkyvät kappaleet ovat vain pieni osa maailmankaikkeuden aineesta. Suurin osa on pimeää ainetta, jota ei voi nähdä eikä koskea. Sen gravitaatio kuitenkin määrää maailmankaikkeuden rakenteiden muodon. Pimeä aine luultavasti koostuu toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista, joita etsitään monin tavoin.”

Keskiviikkona 18.11. kello 17 puhun Kuopiossa Itä-Suomen yliopiston tilaisuudessa ”Vesi, ilma, avaruus” aiheesta ”Avaruuden ääriltä Maapallolle”. Puheen kuvaus on seuraava: ”Kauas katsomalla näemme menneisyyteen. Varhaisin meille tuleva valo, kosminen mikroaaltotausta, näyttää millainen maailmankaikkeus oli yli 13 miljardia vuotta sitten. Seuraan siitä lähtenyttä kehitystä Maapallon syntyyn, ja tuon muinaisen valon alkuperää.” Samassa tilaisuudessa puhuvat Simo Pehkonen ja Markku Kulmala. Lisätietoja myöhemmin.

Torstaina 19.11. kello 19 alustan Helsingin yliopiston Tiedekulmassa nuorten filosofiatapahtuma Nufitin Pop up –tapahtumassa aiheesta ”Tuhoutuuko kaikki?”.

Keskiviikkona 25.11., yleisen suhteellisuusteorian satavuotispäivänä, kello 14.15 puhun Helsingin yliopiston Physicum-rakennuksen salissa D101 otsikolla yleisen suhteellisuusteorian historiasta ”Kauneudella Merkuriuksesta maailmankaikkeuteen”. Hannu Kurki-Suonio puhuu samassa tilaisuudessa yleisen suhteellisuusteorian kokeellisista testeistä.

Puhun tiistaina 15.12. kello 10.00 Helsingin yliopistolla avoimesta julkaisemisesta (ilmoittautuminen 8.12. mennessä).

Päivitys 1 (10/08/15): Lisätty puheiden kuvauksia.

Päivitys 2 (09/09/15): Lisätty linkkejä, tietoja ja puheita.

Päivitys 3 (21/09/15): Lisätty linkkejä ja kuvauksia.

Päivitys 4 (28/09/15): Lisätty esiintyminen.

Päivitys 5 (05/10/15): Lisätty linkki.

Päivitys 6 (06/10/15): Lisätty linkkejä.

Päivitys 7 (06/11/15): Lisätty Nuorten filosofiatapahtuma Nufitin pop-up -keskustelu.

Päivitys 8 (17/11/15): Taas on päivitelty.

---

Jälkeen jääneistä

30.6.2015 klo 19.40, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Havaintojen mukaan maailmankaikkeudessa on vahvempia gravitaatiokenttiä kuin ne, jotka näkyvän aineen massa yleisen suhteellisuusteorian mukaan aiheuttaa. On siis kaksi mahdollisuutta: joko on olemassa ainetta, jota ei nähdä, eli pimeää ainetta, tai yleinen suhteellisuusteoria ei päde.

Vahvemmista gravitaatiokentistä on havaintoja useista erilaisista yhteyksistä, kuten gravitaatiolinsseistä, maailmankaikkeuden laajenemisesta ja kosmisesta mikroaaltotaustasta. Pimeä aine on selittänyt ja ennustanut näitä havaintoja erinomaisen menestyneesti vuosikymmenien ajan, eikä yhtä onnistunutta gravitaatioteorian muutokseen perustuvaa selitystä ole keksitty. Kosmologit pitävät siksi yleisesti erittäin luultavana, että pimeää ainetta on olemassa. Vähintäänkin voidaan sanoa, että pimeän aineen olemassaolo on vankemmalla pohjalla kuin pimeän energian.

Onkin kummallista, että tähtitieteilijä Vera Rubin ei ole saanut Nobelin palkintoa 1970-luvulla tekemistään havainnoista, joilla oli merkittävä rooli pimeän aineen tuomisessa valokeilaan, vaikka vuoden 1998 havainnoista maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisestä (jonka luultavimpana selityksenä yleisesti pidetään pimeää energiaa) myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 2011.

Toistaiseksi kuitenkin kaikki pimeään aineeseen liittyvät havainnot pohjaavat gravitaatioon. Jotta pimeästä aineesta voisi saada varmuuden, pitäisi havaita sen hiukkasvuorovaikutuksia. Mahdollisia havaintoja onkin julistettu PAMELA– ja Fermi-satelliittien, kansainvälisellä avaruusasemalla olevan AMS-mittalaitteen ja maanpäällisen CDMS-kokeen toimesta, mutta mikään niistä ei ole osoittautunut kiistattoman paikkansapitäväksi.

Huhtikuussa julki tuodussa tutkimuksessa esitettiin uusi väite: pimeän aineen hiukkasvuorovaikutuksia on kenties havaittu galaksiryppäiden liikettä seuraamalla. Galaksiryppäissä on kolme ainesosaa: galaksien tähdet, kaasu ja pimeä aine. Pimeää ainetta on eniten, seuraavaksi eniten on kaasua, tähtien osuus massasta on pienin. Tähdet ja kaasu havaitaan niiden lähettämän valon perusteella, pimeän aineen jakauman voi päätellä (osasten liikkeistä riippumattomasti) havaitsemalla sen aiheuttaman valon taipumisen.

Tähtiä on niin harvassa, että ne matkaavat avaruuden halki toisiinsa törmäämättä. Myöskään pimeän aineen ei odoteta juuri vuorovaikuttavan itsensä kanssa, joten se liikkuu samalla tavalla kuin tähdet. Galaksien kohdatessa niiden kaasukehät sen sijaan hankaavat toisiaan ja kuumenevat, ja kaasu hidastuu.

Tätä hyödynnettiin vuonna 2006 kuuluisaksi tulleen ”luotiryppään” kohdalla. Luotiryppäässä on kaksi toistensa läpi mennyttä galaksia. Tähtien ohitettua toisensa kaasu on jäänyt jälkeen. Valon taipuminen kuitenkin osoittaa, että voimakkain gravitaatiokenttä on samassa paikassa kuin tähdet. Tämä on tärkeä todistusaineiston palanen pimeän aineen puolesta. Jos nimittäin havaintoja yrittäisi selittää siten, että pimeää ainetta ei ole olemassa, vaan näkyvä aine saa aikaan odotettua suuremman gravitaatiokentän, niin odottaisi, että valo taipuu eniten kaasun kohdalla, koska sen massa on isompi kuin tähtien. Pimeä aine kuitenkin ennustaa juuri sen mitä nähdään: valo taipuu eniten tähtien kohdalla, koska suurin osa massasta on pimeää ainetta, joka liikkuu kuten tähdet.

Huhtikuun tutkimuksessa on vertailtu tähtien ja pimeän aineen liikkeitä tarkemmin 1.4 miljardin valovuoden päässä olevan galaksiryppäässä Abell 3827. Ryppäässä on neljä kirkasta keskusgalaksia, jotka liikkuvat kohti toisiaan, ja tutkimusryhmä on tehnyt uusia tarkkoja havaintoja sekä galakseista että valon taipumisesta. Havainnoissa on yllättävä piirre: yhden galaksin pimeä aine on jäljessä sen tähtiä. Tällainen ei ryhmän tekemän jatkotutkimuksen perusteella ole ollenkaan tavallista simuloiduissa galaksiryppäissä, joissa pimeän aineen vuorovaikutus itsensä kanssa on pieni.

Luotiryppäässä kaasu on jäänyt jälkeen tähdistä ja pimeästä aineesta kokemansa kitkan takia. Yksi tapa selittää tähtien ja pimeän aineen eroa ryppään Abell 3827 kohdalla olisi siis se, että pimeä ainekin kokisi kitkaa.

Tutkijat arvioivat, miten voimakkaasti pimeän aineen pitäisi vuorovaikuttaa itsensä kanssa, jotta siitä syntyisi havaittu ero tähtien ja pimeän aineen asemassa. Tarvittava vuorovaikutuksen voimakkuus on heidän mukaansa ainakin 10 000 kertaa pienempi kuin luotiryppäästä tuleva yläraja. Toisin sanoen, ei ole ristiriitaa sen välillä, että luotiryppään tapauksessa kitkaa ei huomata, mutta Abell 3827:n kohdalla se on merkittävä. Luotiryppään törmäys on nimittäin tapahtunut verrattain äskettäin, kun taas Abell 3827:n galaksien arvioidaan pudonneen toisiaan kohti noin miljardi vuotta, jona aikana pienikin kitka voi johtaa isoon eroon.

Vuorovaikutus on silti paljon voimakkaampi kuin mitä pimeän aineen hiukkasilta yleensä odotetaan. Suosituimmissa pimeän aineen malleissa vuorovaikutus on noin 10 000 kertaa heikompi kuin mitä Abell 3827:n selittämiseen vaaditaan. Rajat siitä, että pimeän aineen annihilaatiosäteilyä ei ole nähty, ovat heikompia, mutta silti paljon tiukemmat kuin mitä Abell 3827 vaatisi.

Annihilaatiosäteilyä ei kuitenkaan synny, jos pimeä aine koostuu vain hiukkasista, mutta ei antihiukkasista. Esimerkiksi joissakin teknivärimalleissa on juuri näin, ja niissä pimeän aineen hiukkasten keskinäinen vuorovaikutus voi myös olla paljon vahvempi kuin suositummissa malleissa. Ja jos havaintoihin sopivaa hiukkasmallia ei vielä ole, niin äkkiäkös teoreetikko sellaisen kasaan laittaa.

Yhdentoista päivän kuluttua kuitenkin tuotiin julki artikkeli, joka arvosteli sitä, miten galaksirypästä ja hiukkasten vuorovaikutuksia oli mallinnettu. Yksi tekijöistä, Subir Sarkar, oli myös eräs ensimmäisiä BICEP2-kokeen gravitaatioaaltoväitteiden epäilijöitä; sattumoisin hän oli myös esimieheni ollessani tutkijana Oxfordissa kymmenisen vuotta sitten. Heidän mukaansa analyysissä oli kaksi vakavaa ongelmaa.

Ensinnäkin, ryppääseen putoavien tähtien kohdalla oli tarkasteltu vain niiden gravitaatiovuorovaikutusta ryppään koko massan kanssa (joka vetää niitä kohti keskustaa), ja jätetty huomiotta se, että galaksin oma pimeä aine vetää tähtiä puoleensa. Kun puutteen korjaa, kitkan pitää olla paljon väitettyä suurempi, jotta se pystyisi erottamaan pimeän aineen ja tähdet toisistaan. Lisäksi kitka oli oletettu vakioksi koko ryppään historian aikana, vaikka sen pitäisi muuttua ryppään osasten kehittyessä. Kirjoittajat tekivät oman, huolellisemman mutta silti alustavan analyysin, ja sen mukaan vuorovaikutuksen pitää olla noin 10 000 kertaa väitettyä isompi – eli samaa suuruusluokkaa luotiryppäästä tulevan ylärajan kanssa kanssa. Asiaa pitäisi kuitenkin tutkia tarkemmin, ennen kuin selviäisi, ovatko nuo havainnot ristiriidassa.

Lisäksi voidaan todeta, että johtopäätös Abell 3827:n pimeän aineen sijainnista ei ole ongelmaton. Ero tähtien ja pimeän aineen välillä perustuu gravitaatiolinssi-ilmiöön, mutta käytetty gravitaatiolinssimalli sopii havaintoihin erittäin huonosti. On mahdollista, että havaittu valon taipuminen johtuu osittain meidän ja Abell 3827:n välissä olevasta pimeästä aineesta, missä tapauksessa johtopäätökset ryppään pimeän aineen sijainnista pitäisi miettiä uudestaan. Lisäksi johtopäätös perustuu toistaiseksi vain yhteen galaksiin.

Jos pimeän aineen vuorovaikutus itsensä kanssa on niin iso kuin mitä on esitetty, niin siitä odottaisi saavan varmistuksen katsomalla tarkemmin muita galaksiryppäitä, joten tulevia havaintoja odotetaan mielenkiinnolla. Riippumatta siitä, osoittautuuko idea pitävän paikkansa, se on mielenkiintoinen esimerkki siitä, miten kosmologisten havaintojen avulla voidaan testata hiukkasfysiikan teorioita. LHC-hiukkaskiihdytin jauhaa törmäyksistä dataa joka sekunti, mutta voi olla, että hiukkasfysiikan tulevaisuus kuuluu teleskoopeille.

Muiden Ursan blogien tavoin Kosmokseen kirjoitettua on heinäkuun lomalla. Blogin kirjoittamiseen palaamisen lisäksi pidän elokuussa kaksi yleisöluentoa, molempiin on ilmainen ja avoin pääsy.

Keskiviikkona 12.8. kello 18 puhun Turun biennaalissa aiheesta ”Vieras todellisuus”.

Keskiviikkona 26.8. kello 18.00 puhun museo Gustafissa Antero Toikan näyttelyn Visio 2015 yhteydessä, ehkäpä kosmologiasta ja kauneudesta.

Päivitys (30/06/15): Blogin nimi korjattu.

---

Suureellinen fantasiaeepos

21.6.2015 klo 01.29, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Usein kosmologiaa suurelle yleisölle esittelevien puheiden jälkeen minulta on kysytty, mistä voisi lukea lisää aiheesta. Olen ollut huono vastaamaan, koska en ole juuri populaareja kirjoja lukenut. Merkittävä askel kohti ongelman ratkaisua oli entisen väitöskirjaohjaajani ja nykyisen kollegani Kari Enqvistin signeeraaman kirjan Ensimmäinen sekunti löytäminen fysiikan laitoksen postilokerostani.

Nimi viittaa Steven Weinbergin vuonna 1977 ilmestyneeseen kosmologian popularisoinnin klassikkoon Kolme ensimmäistä minuuttia. Ajat on valittu sen perusteella, että kevyiden alkuaineiden muodostuminen alkoi maailmankaikkeuden ollessa kolmen minuutin ikäinen, ja sitä valmisteleva neutriinojen irtoaminen näkyvästä aineesta tapahtui sekunnin aikaan. Tapahtuma päätti sen aikakauden maailmankaikkeudessa, jonka ymmärtämiseen tarvitaan hiukkasfysiikkaa: myöhemmin pärjää enimmäkseen atomifysiikalla ja yleisellä suhteellisuusteorialla, tähtiä lukuun ottamatta.

Enqvistin kirja on katsaus hiukkaskosmologian historiaan ja nykytilaan, ja laajempi kuin mitä nimi antaa ymmärtää. Vaikka takakannessa mainostetaan, että ensimmäisen sekunnin jälkeen ei ole tapahtunut mitään mielenkiintoista, Enqvistin kertomus maailmankaikkeuden kehityksestä alkuaikojen sopukoista nykypäivään osoittaa toisin.

Enqvist käsittelee maailmankaikkeuden laajenemista, pimeää energiaa, pimeää ainetta, aineen ja antiaineen epäsuhdan syntyä, alkuaineiden ja atomien muodostumista, kosmista mikroaaltotaustaa, tähtien ja galaksien muodostumista ja paljon muuta. Oikeastaan nykykosmologian kaikki keskeiset tutkimuskohteet käydään läpi.

Johtotähtenä on kosminen inflaatio, joka ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana määräsi sen, mitä ratoja maailmankaikkeuden myöhempi historia kulkee. Enqvist olikin ensimmäisiä suomalaisia tutkijoita (ellei aivan ensimmäinen), jotka työskentelivät sittemmin kosmologian kenties tärkeimmäksi tutkimusaiheeksi nousseen inflaation parissa.

Eräs Enqvistin kirjan viehätys onkin omakohtainen kertomus tiedeyhteisöstä. Enqvistin kuvaukset siirtymisestä hiukkasfysiikasta kosmologiaan ja työskentelyssä CERNistä sekä Planck-satelliitin kehittämisestä tarjoavat näkymän fysiikan tekemisen arkeen ja menestykseen. Kirjan aikajänne yltää viime vuoden BICEP2-teleskoopin tuloksiin mahdollisista gravitaatioaalloista. Kirjan mennessä painoon niiden tulkinta ei vielä ollut selvä, mutta Enqvist antaa asianmukaisen varoituksen siitä, että kyseessä saattaa olla vain pöly, kuten sitten osoittautuikin. Yleensäkin Enqvist tekee selvän eron siihen, mitä tiedämme varmasti ja mistä vain uumoilemme, edelliseen keskittyen.

Enqvist sijoittaa oman työnsä varsin realistisesti, ehkä vaatimattomasti, tutkimuksen kentälle. (Kun tarvitaan esimerkki spekulatiivisista ideoista, Enqvist nostaa esimerkiksi erään oman paperinsa, ja naurajaksi sille entisen oppilaansa Kimmo Kainulaisen.) Enqvist toteaa, että valtaosan kosmologian artikkelien kohtalo on se, että ”[m]uutaman kymmentä tutkijaa saattaa lukea niitä ja omissa tutkimuksissaan viitata niihin, minkä jälkeen ne unohdetaan”. Tämä ei tarkoita, että ne olisivat välttämättä turhia, koska ne muodostavat pohjan, josta oikeat löydöt nousevat: ”kaikki luonnontieteen saavutukset ovat aina kollektiivisen puurtamisen hedelmiä”.

Pitkälle meneviä spekulaatioita kuten säieteoriaa tai multiversumia Enqvist käsittelee lyhyesti, epäilevin äänenpainoin. Enqvistin aloitellessa itsenäisen tutkijan uraansa CERNissä 1980-luvun alkupuolella toiveet olivat korkealla säieteorian suhteen, ”kuin alalaatikkoon unohtuneesta nuhruisesta pahvirasiasta olisi löytynyt Graalin malja”. Yltiöpäinen optimismi on kuitenkin haihtunut, ja lopullinen teoria näyttää olevan yhä kauempana.

Hiukkaskosmologia on vaikea aihe popularisoitavaksi, koska sen peruskäsitteet ja keskeiset suureet ovat arjelle vieraita. Vaihtoehtoina on hidas eteneminen tietä huolellisesti valmistellen ja sutjakka tarpominen eteenpäin silläkin uhalla, että jotkut asiat jäävät epäselviksi.

Enqvist on valinnut jälkimmäisen: kirja ei jää paikalleen selittelemään kaikkea ennen kuin päästään asiaan, ja noin kymmenen sivun mittaiset luvut seuraavat toisiaan hätkähdyttävässä tahdissa. Enqvist luottaa siihen, että lukija joko tietää mitä vaikkapa kvantti tarkoittaa, tai osaa asennoitua siten, että kaikkea ei tarvitsekaan tarkalleen ymmärtää, kunhan on vainu siitä, mistä on kysymys. Ilmaisu ”palaamme tähän myöhemmin” toistuu, kun asioita ei käydä läpi geometrisen tarkassa järjestyksessä. Laajasti aiheistosta huolimatta kirja etenee sujuvasti, ja Enqvistin maanläheisillä kielikuvilla kyllästetyt sivut kääntyvät kuin itsestään.

Tiedettä popularisoidessa ei ainoastaan tarvitse yksinkertaistaa asioita, vaan niitä pitää myös vääristellä. Asian selittäminen oikein, summittaisesti ja varauksella, antaa usein heikomman käsityksen kuin sen selittäminen selkeästi, yksinkertaisesti ja virheellisesti. Popularisoijan onkin valittava valheensa: ei ole aina helppoa päättää, mikä on oleellista kertoa oikein, ja mistä on parempi tarinoida siten, että mielikuva on oikein, vaikka juttu on väärin.

Kirjassa on tällaisia valkoisia valheita paljon. Tekisi mieli sanoa, että maailmankaikkeuden laajenemista ei voi ymmärtää valon nopeuden muutoksena, aineen energian säilymisen rikkoutuminen yleisessä suhteellisuusteoriassa ei liity gravitaatiokentän energiaan, Hubblen parametri ei riipu maailmankaikkeuden kokonaisenergiasta, horisontti ei laajene valonnopeudella (eikä nykyään enää ollenkaan), Higgsin kentän härmistymisessä ei ole kyse Higgsin hiukkasten puurosta, kosmisen mikroaaltotaustan B-moodeja eivät synnytä vain gravitaatioaallot ja niin edelleen. Noissa lausunnoissa on kaikissa jotain oikeaa, ja ne saattavat helpottaa asioiden ymmärtämistä, mutta olisin itse jättänyt ne käyttämättä.

Tällaiset populaarit kirjat eivät ole tieteellistä tekstiä, jolla tarkasti välitettäisiin tutkimuksen tuloksia, vaan tieteestä kertovia tarinoita. Joskus lukijan voi kuitenkin olla vaikea erottaa sitä, mihin tarinassa voi luottaa. Erityisen ongelmallista tämä on silloin, kun populaareja esityksiä luetaan tarkemmin kuin mitä niitä on kirjoitettu, ja niistä yritetään ottaa enemmän kuin mihin on annettu mahdollisuuksia.

Niinpä muilta popularisoijilta kysytään esimerkiksi sellaisia asioita kuin että kun Enqvist kerran on sanonut, että Hubblen parametri riippuu maailmankaikkeuden kokonaisenergiasta ja joku toinen on kertonut, että maailmankaikkeudella ei ole rajaa, niin eikö Hubblen parametri ole rajaton, ja jos ei, niin eikö tämä kosmologia olekin ristiriitaista. Kyse ei kuitenkaan ole tieteellisistä erimielisyyksistä, vaan yksilöllisistä tarinointityyleistä. (Eräs lempiosani kirjasta on muuten lopun kuvaus, jossa maailmankaikkeuden historia on esitetty Tarun sormusten herrasta kaltaisen fantasiaeepoksen kielellä, mikä ei ole kirjan muuta tekstiä kauempana fysiikan teorioiden sisällöstä.)

Erityisesti pistää silmään termin alkuräjähdys merkitys. Aikoinaan sitä käytettiin viittaamaan yleisen suhteellisuusteorian ennustamaan ajan ja avaruuden syntyyn. Jotkut ovat kuitenkin ruvenneet viittaamaan sanalla alkuräjähdys inflaatiota ajavan kentän hajoamiseen tavallisiksi hiukkasiksi (mihin olen itsekin syyllistynyt), tai jopa vain siitä syntyneen kuuman keiton laajenemiseen. Enqvist kirjoittaa, että ”[k]aikessa yksinkertaisuudessaan alkuräjähdys tarkoittaa seuraavaa: hyvin kauan sitten maailmankaikkeus oli hyvin tiheä ja laajeni nopeasti; nyt se ei enää ole niin tiheä ja laajenee hitaammin kuin ennen. Siinä kaikki.”

Mielestäni tämä on harhaanjohtava käytäntö. Se on myös sinänsä hämmentävää, että –kuten Enqvist käy läpi– ajatus alkuräjähdyksestä kohtasi vastustusta sen takia, että sen mukaan maailmankaikkeudella on alku, ei niinkään siksi, että se laajenee ja jäähtyy. (Eräs kirjasta arvostelua kirjoittanut toimittaja soittikin kummastuneena tästä alkuräjähdys-sanan käytöstä.)

Tuttuun tapaansa Enqvist tyylittelee teorioiden lisäksi eri alojen ajattelijoita, ja osansa saavat fyysikoiden ohella niin insinöörit, matemaatikot, filosofit, humanistit kuin šamaanitkin. Tämä ei ole vain turhanpäiväistä piikittelyä, vaan muistuttaa siitä, että fysiikka on avannut maailmankaikkeuden saloja viimeisen sadan vuoden aikana enemmän kuin tuhansien vuosien uskonnolliset ja filosofiset pohdinnat.

Toisaalta kirjan läpikulkeva teema on inhimillisen ja kosmisen yhteys. Enqvist toteaa loppuyhteenvedossaan seuraavasti:

”Universumi tapahtuu meille: meidän on elettävä sen ennakoimattomien tuulien riepoteltavina, ja tämän tosiseikan aiheuttamat kosmiset mielenliikutukset voivat olla moninaiset. Niiden joukkoon mahtuu kuitenkin myös hyväksyntä – kenties jopa huvittunut hyväksyntä – ja kosmisen ironian taju, mutta ennen kaikkea ylpeys saavutuksistamme.”

Jos haluaa saada kuvan näistä saavutuksista maailmankaikkeuden ymmärtämisen osalta, niin Ensimmäistä sekuntia parempaa suomeksi kirjoitettua teosta tuskin löytyy.

---

Tiedonvisertelyä

15.6.2015 klo 01.33, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kerrottakoon niille, joita kiinnostaa lukea tekstejäni muuallakin kuin täällä blogissa, tai tietää milloin olen puhumassa: minulla on nykyään twitter-tili tunnuksella @SyksyRasanen. Aikomuksenani on tiedottaa siellä kolumneista, artikkeleista, blogimerkinnöistä, puheista ja sen sellaisista, niin tieteeseen kuin muihinkin asioihin liittyen. (En kenties viitsi kaikkia haastatteluja laittaa sinne, mutta osan varmaan.)