Kosmokseen kirjoitettua

Gravitaation elämä

22.4.2015 klo 01.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

2000-luvun alkupuolella olin tutkijana Oxfordissa, ja aloittelin maailmankaikkeuden rakenteiden laajenemisvaikutuksen selvittämistä. Tuntiessani itseni tyhmäksi ja hämmentyneeksi yleisen suhteellisuusteorian hienouksien suhteen käännyin Pedro Ferreiran puoleen. Keskustelujemme jälkeen oloni oli entistä hölmömpi, mutta vähemmän hämmentynyt. Törmäsin Pedroon viimeksi tammikuussa konferenssissa Oslossa. Hän mainitsi kirjoittaneensa populaarin kirjan yleisestä suhteellisuusteoriasta. Vastasin, että kustantaja Kimmo Pietiläinen oli jo kaupitellut sitä minulle, huonolla menestyksellä.

Seuraavalla viikolla postissa tuli Pedrolta hänen kirjansa käännös Täydellinen teoria. Ei kai siinä muuta voinut kuin lukea kirja ja kirjoittaa arvostelu.

Kirja esittelee yleistä suhteellisuusteoriaa historian ja keskeisten henkilöiden kautta: Pedro nimittää kirjaa yleisen suhteellisuusteorian elämänkerraksi. Tiesin tarinan palasia, mutta kirjassa oli paljon uutta tietoa, ja Pedro on kutonut faktoista ja anekdooteista sujuvan kokonaisuuden. Kirja on myös varustettu kattavilla lähteillä, joilla kuvaa voi syventää.

Kirja jaettu yhtä aihetta käsitteleviin lukuihin, jotka enimmäkseen etenevät aikajärjestyksessä. Tapahtumat alkavat Albert Einsteinin ensimmäisistä suhteellisuusteoriaa ja painovoimaa koskevista pohdinnoista vuonna 1907, kaksi vuotta suppean suhteellisuusteorian löytämisen jälkeen. Pedro käy läpi yleisen suhteellisuusteorian etsimistä ja muotoilua, mutta teorioiden matemaattinen ja fysikaalinen sisältö esitellään kuvaillen ja summittaisesti, pääpaino on henkilöissä ja teorian vaiheissa.

Tekstissä korostuu se, miten määrittelevä kokemus ensimmäinen maailmansota oli Einsteinin sukupolven fyysikoille. Arthur Eddingtonin pasifismi ja kansallismielisyyden vastustaminen vei hänet melkein vankilaan, kun taas Aleksander Friedmannille myönnettiin pommitustarkkuuden parantamisesta kunniamitali. Karl Schwarzschild löysi nimeään kantavan mustia aukkoja kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian ratkaisun joulukuussa 1915, kuukauden kuluessa teorian löytämisestä, ollessaan itärintamalla sotimassa. Tämä suhteellisuusteorian tärkeimpiin ratkaisuihin kuuluva aika-avaruus jäi hänen testamentikseen: puoli vuotta myöhemmin Schwarzschild oli jo kuollut rintamalla saamaansa tartuntaan.

Samalla tapaa toinen maailmansota määritteli fyysikoiden sen sukupolven, jonka ikoniksi Richard Feynman on nostettu. Melkein kaikki tuon ajan johtavat yhdysvaltalaiset tutkijat olivat mukana ydinaseiden valmistamisessa, ja heidän kollegansa Neuvostoliitossa seurasivat perässä.

1910-luvn loistavan alun ja maailmankuvan 1920-luvulla mullistaneiden kosmologisten sovellusten jälkeen yleisen suhteellisuusteorian edistys hidastui. Einstein itse vaelsi umpikujiin etsiessään kaiken teoriaa irrallaan muusta tiedeyhteisöstä, ja yleisen suhteellisuusteorian osuus surkastui matemaattiseksi rakennelmaksi, jolla ei katsottu olevan paljon tekemistä muiden fysiikan ilmiöiden kanssa. (Jotkut ovat vieläkin tämän yli puoli vuosisataa vanhan käsityksen vallassa.) Kirjassa käydään hyvin läpi se, miten kuiva kausi loppui uusien tähtitieteellisten havaintojen kautta, joiden selittäminen toi yhteen astrofyysikkoja ja suhteellisuusteoreetikkoja, hiukkasfyysikoiden tuodessa kokemuksensa ja arvovaltansa mukaan peliin.

Yleisen suhteellisuusteorian tutkimus nousi 1950-luvun lopulla taas jaloilleen, ja on siitä pitäen jatkunut menestyksekkäästi. On kuitenkin aiheellista, että Pedro käy läpi myös varoittavia tapauksia, kuten Joseph Weberin. Weber väitti 1960-70-luvun vaihteessa löytäneensä gravitaatioaaltoja ja hänen tuloksiaan julkaistiin johtavissa lehdissä, kunnes epäilyt kasvoivat. Lopulta Weberin tulokset kumottiin ja hän vietti uransa loppupuolen tiedemaailman reunoilla, pystymättä myöntämään virheitään.

Tuoreempien kosmologisten yllätysten, kuten pimeän aineen ja pimeän energian jälkeen kirja käsittelee kvanttifysiikan ja suhteellisuusteorian yhdistämistä, muun muassa Stephen Hawkingin mustien aukkoja koskevien tulosten kautta. Tässä kvanttigravitaatio-osuudessa on hieman toistoa, ja loppuosuuden tutkimuksen sisältöä kenties muutenkin selitetty vähemmän selvästi kuin aiemmin, eikä kerronta tunnu yhtä vetävältä. Voi tosin olla, mielenkiinnon puute johtuu kohdallani siitä, että asiat ovat minulle tutumpia. Lopuksi Pedro kirjoittaa omasta erityisalueestaan, yleisen suhteellisuusteorian tuolla puolen olevista gravitaatioteorioista, sekä tulevaisuuden kokeista joilla niitä testataan, koskettavalla henkilökohtaisella otteella.

Pedro on kelpo tarinankertoja, ja minulle tuli lämmin olo kirjaa lukiessa: tämä on minun yhteisöni historiaa, kollegan kertomana. Alkupuolen henkilöt on kohdannut oppikirjoissa, loppupuolella Pedro tulee osaksi tarinaa, ja muutkin henkilöt alkavat ovat tuttuja konferensseista ja tutkimusvisiiteistä.

Käännös on enimmäkseen sujuvaa mutta huonoa suomea. Toisinaan saa arvailla mistä oikeastaan on kyse. Esimerkiksi jokusen kerran teoreettiseen oivaltamiseen liittyvää sanaa ”keksiä” käytetään silloin, kun kyse on kokeellisesta löytämisestä. Pedron jutusteleva tyyli kuitenkin välittyy, vaikka sen kuiva huumori menettääkin teräänsä. Käännöksen taso ei yllätä: Terra Cognitan Kimmo Pietiläinen kääntää ja julkaisee kovaa tahtia hyviä kirjoja, joita muut eivät suomenkielelle tuo. Kyse ei oikeastaan ole siitä, onko Täydellinen teoria käännetty hyvin vai huonosti, vaan siitä, onko se saatavilla suomeksi vai ei. Pedro oli iloinen siitä, että hänen kirjansa on suomennettu, ja niin olen minäkin.

---

Kosmologia, pimeä aine ja pimeä energia

30.3.2015 klo 20.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Skeptikko-lehden numerossa 1/2015 on artikkelini ”Kosmologia, pimeä aine ja pimeä energia”, joka on lyhyt katsaus otsikossa mainittujen asioiden historiaan. Se pohjaa Skepsiksen tilaisuudessa joulukuussa pitämääni puheeseen.

---

Odottamatonta odottaen

29.3.2015 klo 00.57, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmologia , Yleinen

Helmikuussa 2013 suljettu CERNin LHC-kiihdytin valmistautuu paluuseen. Kuluneita osia on vaihdettu ja kiihdytintä on päivitetty monin tavoin siten, että se pystyy saamaan aikaan törmäyksiä entistä tiheämpään tahtiin ja noin 60% suuremmalla energialla. Alun perin suunniteltuun maksimienergiaan on vielä jonkin verran matkaa, se olisi 75% entistä suurempi.

Hiukkassuihkua on jo ajettu kiihdytinrenkaan eri osuuksien läpi. Tällä viikolla oli tarkoitus saada säde kiertämään koko kiihdyttimen läpi kerralla, ja aloittaa törmäykset pian sen jälkeen. Kiihdyttimen yhdessä osassa on kuitenkin tullut vastaan ilmeisesti metalliromun aiheuttama oikosulku. Koska magneetit on jäähdytetty kahden Kelvinin kylmyyteen, ja hallittu lämmittäminen kestää kauan, romun poistaminen ei ole aivan yksinkertaista. Ongelman arvioidaan viivyttävän törmäysten aloittamista päivillä tai viikoilla.

Uutinen ei ole aiheuttanut kummoistakaan kiihtymystä tutkijoiden keskuudessa, toisin kuin LHC:n alkuvaiheiden onnettomuus, joka siirsi aloitusta yli vuodella. Yksi syy on se, että ongelma vaikuttaa vähemmän vakavalta. Mutta odotukset ovat myös matalammalla.

LHC:n aloittaessa oli selvää, että se löytää jotakin. Hiukkasfysiikan Standardimalli ei ole ristiriidaton rakennelma LHC:n luotaamilla energioilla ilman Higgsin hiukkasta tai jotakin muuta uutta. Higgsin hiukkasen löytämistä 48 vuotta sen esittämisen jälkeen juhlittiin oikeutetusti fysiikan menestystarinana.

Toisen kauden näkymät ovat erilaiset. Higgs oli viimeinen Standardimallin pala, eikä ole mitään takeita siitä, että LHC pystyy näkemään mitään Standardimallin tuonpuolista. Ensimmäiseltä kaudelta odotettiin Higgsin lisäksi paljon muutakin: merkkejä supersymmetriasta, ylimääräisistä ulottuvuuksista tai jostain täysin yllättävästä. Mistään näistä ei löytynyt todisteita. Itse asiassa ei näkynyt edes vihjeitä mistään uudesta: ei omituisia poikkeamia, ei selittämättömiä ristiriitoja eri kokeiden välillä. Kaikki LHC:n havainnot ovat sopusoinnussa Standardimallin kanssa.

Jo LHC:n käynnistyessä oli epäilyjä, koska aiemmat kiihdyttimet LEP ja Tevatron eivät nekään olleet nähneet poikkeamia Standardimallista, mutta LHC:n energia ja törmäysten määrä oli ylivoimaisesti isompi, joten toivo pantiin siihen, että seuraavan kulman takaa löytyy jotain. Vaikka toisella kaudella energia on hieman isompi ja törmäysten lukumäärä on huomattavasti isompi, useimmissa malleissa olisi jotain odottanut näkyvän jo tähän mennessä.

Tulokset ovat voimistaneet fyysikkojen yhteisössä hidasta siirtymää sille kannalle, että LHC:n luotaamilla energioilla ei ehkä olekaan mitään uutta nähtävää. Odotettuihin mahdollisuuksiin, kuten pimeän aineen löytymiseen LHC:ssä, ei suhtauduta kovin toiveikkaasti.

Mutta tutkijat ovat olleet odotuksineen väärässä aiemminkin, ja lopullinen sana kuuluu kokeille. LHC tekee mittauksia vielä kaksi vuosikymmentä, eikä kukaan tiedä mitä se tuo näkyville.

Päivitys (05/04/15): Ongelma on ratkaistu ja säde on tänään kiertänyt koko LHC:n renkaan läpi.

---

Auringonpimennyksestä pimeään aineeseen

20.3.2015 klo 17.35, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Auringonpimennyksestä pimeään aineeseen

Katsoin tänään auringonpimennystä Utsjoella, ja pidin sen jälkeen jokseenkin seuraavanlaisen puheen yleisestä suhteellisuusteoriasta, auringonpimennyksestä ja pimeästä aineesta. Esityksen teksti on saatavilla myös pohjoisssaameksi.

Uusi maailmankuva

Tänä vuonna tulee kuluneeksi sata vuotta siitä, kun Albert Einstein löysi yleisen suhteellisuusteorian. Einsteinin tavoitteena oli ymmärtää gravitaatiota, mutta hänen teoriansa mullisti myös käsityksemme ajasta ja avaruudesta.

Klassisen fysiikan ja arkiajattelun mukaan avaruus on vain tapahtumien näyttämö ja aika kertoo, missä kohtaa näytelmään ollaan. Avaruuden tapahtumat eivät vaikuta ajan kulkuun, eikä avaruus muutu ajassa. Suppea suhteellisuusteoria oli paljastanut vuonna 1905, että aika ja avaruus eivät ole erillisiä, vaan muodostavat erottamattoman kokonaisuuden, aika-avaruuden.

Yleinen suhteellisuusteoria osoitti, että aika-avaruus vuorovaikuttaa aineen kanssa. Avaruus kehittyy ajassa, ja aika kulkee eri tavalla eri paikoissa, riippuen siitä, millaista ainetta avaruudessa on. Toisaalta aika-avaruus määrää sen, miten aine liikkuu.

Klassisen fysiikan mukaan gravitaatiossa on kyse siitä, että massat vetävät toisiaan puoleensa. Yleinen suhteellisuusteoria on osoittanut, että tämä ei pidä paikkaansa. Sen sijaan kappaleet muuttavat ympärillään olevaa aika-avaruutta, mikä sitten vaikuttaa toisten kappaleiden liikkeisiin.

Esimerkiksi Aurinko ei vedä Maata puoleensa. Sen sijaan Aurinko taivuttaa aika-avaruutta ympärillään, ja tämän takia Maan rata taipuu. Auringon aiheuttama muutos aika-avaruuteen on pieni, joten ratojen taipuminen on pientä, ja Maa kulkee melkein suoraan. Tämä saattaa kuulostaa kummalliselta – eikö Maa kulje ympyrärataa (tai tarkemmin sanottuna ellipsirataa), mikä on jokseenkin niin kaukana suorasta kuin mahdollista? Maa ei kuitenkaan kulje ympyräradalla kun tarkastellaan sen rataa aika-avaruudessa, ei vain avaruudessa.

Samalla kun Maa liikkuu avaruudessa ympyrällä, se kulkee eteenpäin ajassa. Jos Maan kiertotason ajattelee kaksiulotteiseksi levyksi ja ajan sitä kohtisuoraan olevaksi kolmanneksi ulottuvuudeksi, niin Maapallo kulkee ylöspäin ajassa samalla kun se kiertää avaruudessa. Maa nousee hitaasti kiertyvää spiraalia tulevaisuuteen.

Maalla kulkee Auringon ympäri vuodessa. Maan etäisyys Auringosta on noin kahdeksan valominuuttia, eli noin 500 valosekuntia. Vuodessa on 30 miljoonaa sekuntia, eli jos Maapallon radan säde olisi metri, niin spiraalin yksi kierto nousisi 60 kilometriä ylöspäin: radan kaarevuus on pieni, Maapallo kulkee lähes suoraan.

Selityksiä ja ennustuksia

Yleisen suhteellisuusteorian kuva aika-avaruudesta ja gravitaatiosta eroaa merkittävästi siitä, mitä oli aiemmin luultu. Vahvat väitteet vaativat vahvaa todistusaineistoa. Tieteessä asioita todistetaan vertaamalla teorioita havaintoihin. Todistusaineistoa on kahdenlaista: on mahdollista selittää jo tehtyjä havaintoja ja ennustaa tulevia havaintoja.

Yleinen suhteellisuusteoria ei selitä samaa gravitaatiota eri sanoin, sen mukaan gravitaatio käyttäytyy eri tavalla kuin klassisessa fysiikassa.

Eräs merkittävä asia, jonka yleinen suhteellisuusteoria selitti oli Merkuriuksen radan kiertyminen. Merkurius liikkuu ellipsin muotoisella radalla, joka kiertyy hiljalleen. Havaitusta kiertymisestä suurin osa selittyy sillä, että muut planeetat häiritsevät Merkuriuksen liikettä Auringon ympäri.

Vuodesta 1859 asti oli tiedetty, että Merkuriuksen rata kuitenkin kiertyy noin 8% enemmän kuin mitä Newtonin gravitaatioteoria ennustaa. Tätä yritettiin selittää muun muassa sillä, että Auringon lähellä oli uusi ja tuntematon planeetta nimeltä Vulkanus. Planeettaa ei löydetty, mutta sillä on sittemmin ollut menestynyt ura populaarikulttuurissa. Yleinen suhteellisuusteoria selitti kiertymän sillä, että Auringon aiheuttama aika-avaruuden taipuminen saa aikaan hieman erilaisen liikkeen kuin klassisen fysiikan painovoima.

Valon taipuminen

Kuten kaikki tietävät, on helpompi keksiä selityksiä asioille, jotka jo tietää, kuin ennustaa tulevia. Niinpä yleisen suhteellisuusteorian ensimmäinen varsinainen koe liittyi valon taipumisen ennustamiseen Auringon lähellä.

Aurinko vaikuttaa ympäröivään aika-avaruuteen. Valo liikkuu aika-avaruudessa. Niinpä Aurinko vaikuttaa valon liikkeisiin, ei vain planeettojen ja muiden massiivisten kappaleiden liikkeisiin. Aurinko taivuttaa valonsäteitä sitä enemmän, mitä lähempää Aurinkoa ne kulkevat. Vaikutus on melko pieni, joten sen havaitsemiseksi pitää katsoa hyvin läheltä Aurinkoa kulkevia valonsäteitä. Valon taipuminen muuttaa taivaalla olevien valonlähteiden, kuten tähtien, näennäisiä paikkoja. Tämän voi havaita vertaamalla tähtien suhteellisia paikkoja silloin kun niiden valo kulkee läheltä Aurinkoa ja silloin kun se kulkee kaukaa.

Ongelmana on se, että Aurinko on hyvin kirkas, joten sen lähellä olevia tähtiä on vaikea havaita. Tässä Auringonpimennys tulee mukaan kuvaan: silloin Auringon kiekon lähellä olevat tähdet on helppo nähdä. Vuonna 1919 valon taipumisen mittaus suoritettiin onnistuneesti, ja nähtiin että tähtien paikat muuttuivat asteen tuhannesosan puolikkaan verran, yleisen suhteellisuusteorian ennusteen mukaisesti.

Kohti pimeää ainetta

Valon taipumisen ennustuksen varmistamisen myötä yleinen suhteellisuusteoria hyväksyttiin ja Einsteinista tuli kuuluisa. Teorian ennustuksia on sittemmin varmennettu tukuittain. Pian tuli kuitenkin vastaan uusi ongelma: jos otetaan huomioon vain näkyvä aine, niin tähdet galakseissa ja galaksit galaksiryppäissä eivät liiku teorian ennusteiden mukaisesti. Tarvitaan siis joko uusi gravitaatioteoria tai uutta ainetta. Yleensä kallistutaan uuden aineen puoleen, ja koska sitä ei nähdä, sille on annettu nimeksi pimeä aine.

Pimeyden historiaa

Ensimmäisen kerran termiä pimeä aine käytti tähtitieteilijä Jacobus Kapteyn vuonna 1922 viitatessaan aineeseen, joka havaitaan vain sen kautta, miten sen gravitaatio vaikuttaa näkyvän aineen liikkeisiin. Vuonna 1932 tähtitieteilijä Jan Oort väitti havainneensa pimeän aineen Linnunradassa. Oort mittasi sellaisten tähtien liikkeitä, jotka liikkuvat kohtisuoraan Linnunradan kiekkoa vasten. Tähtien nopeus riippuu siitä, paljonko massaa kiekossa on: mitä raskaampi kiekko, sitä isompi gravitaatiovaikutus, ja sitä nopeammat liikkeet.

Jan Oortia ei kuitenkaan muisteta pimeän aineen löytäjänä, siitä harmillisesta syystä, että hän oli väärässä. Hänen havaitsemiensa tähtien liikkeet nimittäin selittyvät kokonaan näkyvällä aineella. Niinpä pimeän aineen löytäminen on mennyt Fritz Zwickyn nimiin. Zwicky ei tarkastellut tähtien liikkeitä galaksissa, vaan galaksien liikkeitä galaksiryppäissä, jotka ovat gravitaation yhteen niputtamia galaksien kokoelmia. Idea oli sama kuin Oortilla: mikä enemmän massaa, sitä isompi nopeus. Zwicky päätteli vuonna 1933 mitatuista nopeuksista, että Coma-galaksiryppäässä on paljon pimeää ainetta.

Zwickyn johtopäätös on osoittautunut paikkansapitäväksi, mutta aikanaan sitä ei yleisesti hyväksytty. Zwickyn kerrotaan olleen sitä mieltä, että tämä johtui tähtitieteilijöiden keskinkertaisuudesta. Mutta tähtitieteellisten havaintojen tulkitseminen on vaikeaa, ja pimeä aine on idea, jonka hyväksymiseksi tarvitaan paljon todistusaineistoa.

1970-luvulla Vera Rubin tutki sitä, miten tähdet liikkuvat galakseissa. Toisin kuin Oort, hän keskittyi tähtiin, jotka kiertävät galaksin tasossa, ei sellaisiin, jotka liikkuvat kohtisuoraan tasoa vasten. Mutta idea oli jälleen sama: mitä isompi nopeus, sitä enemmän massaa. Rubin totesi, että tähtien kiertonopeuksien selittämiseksi tarvitaan pimeää ainetta.

Todistusaineistoa

Vuosikymmenien aikana on kertynyt paljon erilaisia havaintoja, joita pimeä aine on selittänyt ja ennustanut. Toistaiseksi ne kaikki liittyvät gravitaatioon. Eräs merkittävä tällainen havainto, tähtien ja galaksien liikkeiden lisäksi, liittyy valon taipumiseen. Kun kaukaisten galaksien ja muiden kohteiden valo matkaa maailmankaikkeuden halki, se voi kohdata massakeskittymiä (kuten galakseja ja galaksiryppäitä), jotka ovat paljon isompia kuin Aurinko, ja sen takia taivuttavat valoa paljon enemmän. Niiden vaikutuksen kuvissa voi nähdä silmin selvästi, toisin kuin Auringon aiheuttaman pienen häiriön.

Pimeyden luonne

Mitä pimeä aine sitten on? Se ei lähetä valoa eikä ime valoa, eli se on näkymätöntä. 1970-luvun lopulta alkaen on tiedetty, että se ei koostu mistään tunnetuista hiukkasista. Luultavasti on kyse toistaiseksi tuntemattomista alkeishiukkasista. Ne ovat näkymättömiä siksi, että niillä ei ole sähkövarausta – näkeminen perustuu siihen, että valo kimpoaa sähkövarauksista. Jos hiukkasella ei ole sähkövarausta, se ei vuorovaikuta valon kanssa, eikä sitä voi nähdä. Samasta syytä pimeää ainetta ei voi koskea: koskeminen perustuu siihen, että hiukkasten sähkövaraukset hylkivät toisiaan tai vetävät toisiaan puoleensa. Pimeä aine menee lävitsemme ilman että huomaamme.

Noin 80% maailmankaikkeuden aineesta (massassa mitattuna) on pimeää ainetta, vain noin 20% on tavallista, atomiytimistä ja elektroneista koostuvaa ainetta.

Aine, jota ei voi nähdä eikä koskea, voi kuulostaa kummalliselta. Pimeä aine on kuitenkin paljon yksinkertaisempaa kuin näkyvä aine. Näkyvän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat keskenään ja valon kanssa, ja ne muodostavat monimutkaisia yhdistelmiä: atomeja, molekyylejä, soluja. Pimeän aineen hiukkaset eivät sitoudu yhteen tai vuorovaikuta merkittävästi muuten kuin gravitaation kautta: niiden ymmärtäminen on helppoa.

Uusi gravitaatio?

Havainnot osoittavat, että jotain uutta tarvitaan, ja pimeä aine sopii kuvaan. Mutta Merkuriuksen liikkeet selitti uusi gravitaatioteoria, eikä pimeää ainetta ole havaittu muuten kuin sen gravitaation kautta. Voisiko olla niin, että tässäkin on kyse uudesta gravitaatioteoriasta, ei uudesta aineesta? Periaatteessa tämä on mahdollista. Urhoollisista yrityksistä huolimatta kukaan ei kuitenkaan ole onnistunut rakentamaan gravitaatioteoriaa, joka selittäisi kaikki ne havainnot, jotka pimeä aine selittää, ja joka olisi silti sopusoinnussa niiden hyvin tarkkojen mittausten kanssa, joita yleisen suhteellisuusteorian varmentamiseksi on tehty.

Pimeä aine on melkein sata vuotta vanha hypoteesi, joka on onnistuneesti selittänyt menneitä ja ennustanut tulevia. Sitä voi vielä järkevästi epäillä, mutta tutkimuksen keskeinen kysymys ei ole enää pimeän aineen olemassaolo, vaan sen ominaisuudet.

Varmuus pimeydestä

Näkyvän aineen liikkeiden seuraaminen kertoo siitä, millainen on näkymätön maailma. Merkuriuksen radan ylimääräisen kiertymän selitti uudenlainen gravitaatiolaki, yleinen suhteellisuusteoria. Tähtien ja galaksien nopeudet selittää luultavasti pimeä aine. Varmuuden tästä saa vain havaitsemalla pimeän aineen muuten kuin gravitaation kautta. Se on vaikeaa, koska pimeällä aineella ei ole sähkövarausta, mutta on useita kokeita, joissa etsitään pimeän aineen hiukkasia par’aikaa. Pimeän aineen hiukkasia saattaa löytyä lähitulevaisuudessa, mutta voi myös olla, että niiden vuorovaikutukset ovat niin heikkoja, että niitä ei koskaan löydetä.

Pimeys, hyödyttömyys, avaruus ja seksi, muutos, ajatus, valo

18.3.2015 klo 18.44, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Perjantaina 20.3. on auringonpimennys, ja puhun Utsjoella sen jälkeen kello 13 tapahtumassa Utsjoen pimennys ja pilkki aiheesta ”Auringonpimennyksestä pimeään aineeseen: todellisuus näkyvän tuolla puolen”. Tilaisuus on maksuton.

Torstaina 26.3. pidän kello 16.30 tilaisuudessa Työelämän tarpeisiin vastaamaton tapahtuma Helsingin yliopiston 375-vuotisjuhlan kunniaksi luennon aiheesta ”Sata vuotta yleistä suhteellisuusteoriaa – mitä me siitä hyödymme?”. Tilaisuuden järjestää Vapaa yliopisto liikaa lukeville. Muita luennoitsijoita ovat mm. oikeusantropologi Reetta Toivanen ja lähi-idän tutkija Jaakko Hämeen-Anttila. Luennot pidetään kadulla.

Lauantaina 28.3. kello 20 alkaen vastailen kysymyksiin Long Playn ja Heurekan tapahtumassa Avaruus ja seksi kulttuuriareena Gloriassa. Muina vastaajina ovat lääkäri Erkki-Pekka Helle, filosofi Tuomas Nevanlinna ja seksologi Leena Väisälä. Kysymyksiä voi jättää etukäteen yllä olevasta linkistä. Tilaisuus on maksuton.

Tiistaina 31.3. kello 16.30 juttelen Tiedekulmassa filosofi Paavo Pylkkäsen kanssa siitä, miten yleinen suhteellisuusteoria mullisti maailmankuvan sata vuotta sitten, ja miten käsitykset ihmisen paikasta maailmassa ovat muuttuneet kuluneen sadan vuoden aikana. Tilaisuuden juontaa fysiikan filosofian tutkija Suvi Tala. Tilaisuus on maksuton.

Torstaina 15.4. puhun yleisestä suhteellisuusteoriasta, Einsteinista ja tieteestä tapahtumassa Think. Helsinki, think!. Tilaisuudessa esiintyvät myös skeptikko James Randi, hiukkasfyysikko Tara Shears, stand-up –koomikot Reginald D. Hunter ja Jamie MacDonald sekä biotieteilijä Iiris Hovatta. Esitykset ovat englanniksi. Tilaisuus alkaa kello 18, liput maksavat 60 euroa.

Torstaina 23.4. kello 15 puhun Joensuussa tiede-, ympäristö- ja teknologiafestivaali SciFestissä aiheesta ”Maailmankaikkeuden vanhin valo ja kvanttigravitaatio”. Tilaisuus on maksuton.

Päivitys 1 (02/04/15): Tiedekulman tilaisuuden tallenne on laitettu julki.

Päivitys 2 (21/04/15): Joensuun esiintyminen on peruttu.

---

Piirileikkejä

28.2.2015 klo 22.28, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuin viime viikolla Helsingin yliopiston metafilosofian kurssilla aiheesta ”Tarvitseeko tiede filosofiaa?”. Olen aiemmin kuvaillut, että filosofia voi tarjota fysiikalle lähinnä rakennustelineitä ja muotiarvosteluja, kurssilla puhuin jokseenkin seuraavaa. (Minua oli pyydetty kertomaan myös omasta suhteestani filosofiaan, jätän sitä koskevan osuuden tästä pois.)

Usein filosofian ja fysiikan yhteydestä puhuttaessa tuodaan esille suhteellisuusteorian ja kvanttiteorian löytäneitä henkilöitä, kuten Albert Einstein, Erwin Schrödinger ja Niels Bohr, jotka käyttivät filosofiaa apuna siirtyessään klassisen fysiikan tuolle puolen.

Klassisen fysiikan kuva todellisuudesta on jokseenkin samanlainen kuin arkikäsityksemme. Vuosisadan vaihteessa tämän todellisuuskäsityksen rajat tulivat vastaan, eikä havaintoja voinut enää selittää arkisten käsitteiden avulla. Oli pakko ajatella uudelleen sellaisia perustavanlaatuisia asioita kuin aikaa, avaruutta, ainetta ja tapahtumista.

Nämä teoriat ovat kuitenkin riippumattomia filosofisista ideoista, joita niiden muotoilussa on käytetty. Toisin kuin filosofia, fysiikka on historiaton tiede. Fysiikkaa opittaessa ei tarvitse tietää, miten joku idea on löydetty, millä tapaa se on aluksi ilmaistu tai mitä mieltä sen löytäjät ovat.

Varhaisiin kirjoituksiin tutustuminen on hyödyllistä sen hahmottamiseksi, miten uusia teorioita muotoillaan ja miten ideat kehittyvät, mutta ei teorioiden itsensä ymmärtämiseksi. Kvanttiteorian ja suhteellisuusteorian nykyinen muotoilu on kehittyneempi ja selkeämpi kuin niiden alkuperäinen esitystapa. Suhteellisuusteorian oppimiseksi ei ole tarpeen lukea riviäkään Einsteinin kirjoituksia, ja harva fyysikko niin tekeekään. Taustalla olevista filosofisista ideoista ei myöskään olla kovin kiinnostuneita, vaikka joihinkin niistä viitataan silloin tällöin.

Tätä suhtautumista, joka on vallinnut toisen maailmansodan jälkeisestä ajasta lähtien, on kuvailtu Richard Feynmanin nimiin virheellisesti laitetulla lausumalla ”shut up and calculate”, ”turpa kiinni ja laske”. Fysiikan kehitys on viime vuosikymmeninä perustunut kokeiden ja matemaattisesti muotoiltujen teoreettisten ideoiden vuorovaikutukseen, eikä filosofialla ole ollut siinä juuri sijaa.

Minua on pyydetty kommentoimaan, millaista hyötyä metafysiikasta voisi fysiikassa olla, mutta en osaa vastata, koska en tunne metafysiikkaa. Sikäli kun metafysiikka käyttää niitä käsitteitä, joita fysiikassa on kehitetty, se voi selventää teorioiden merkitystä. Useimmat fyysikot (mahdollisesti virheellisesti) ajattelevat, että filosofinen ajattelu pohjaa arkikäsitteisiin, jolloin sen on lähes mahdotonta kommentoida teorioiden sisältöä mielekkäällä tavalla.

Syynä on se, että nuo käsitteet ovat kehittyneet evoluution myötä kuvaamaan hyvin rajattuja fysikaalisia tilanteita. On kaksi reittiä mielikuvituksemme rajojen ulkopuolelle: matematiikka, joka tarjoaa luuloistamme riippumattomia käsitteellisiä maailmoja, ja havainnot, jotka kertovat, mitkä noista maailmoista ovat todellisia.

Filosofiasta on kuitenkin fysiikalle ainakin kahdenlaista hyötyä. Kysymys siitä, millaiset päättelyn tavat ovat hyväksyttäviä tieteessä ja millä tavalla asioita todistetaan kuuluu viime kädessä filosofian piiriin. Vaikka onkin niin, että ainoastaan tutkimus voi osoittaa sen, millaisia tutkimusmenetelmiä pitää käyttää ja mitkä ovat tutkimuksen kohteita, niin on hyvä pitää mielessä ohjenuoria ja tarvittaessa saada muistutuksia ulkopuolisilta. Esimerkiksi tieteen filosofien kommentit ovat paikallaan viime aikoina muodikkaiksi tulleiden multiversumien suhteen, joiden kohdalla jotkut fyysikot ovat ehdottaneet tieteellisen päättelyn sääntöjen muuttamista. Tällaiset kommentit voivat avittaa tutkijoita, ja selventää suurelle yleisölle, sitä miten tehdä tutkimusta – tai ainakin siinä, miten sitä ei pitäisi tehdä.

Toisaalta filosofian sosiologisesta osuudesta voi olla hyötyä fyysikoille. Käsitys siitä, että teorioita valittaisiin vain sen perusteella, miten hyvin niiden ennusteet sopivat yhteen havaintojen kanssa, on auttamattoman yksinkertainen. Hiukkaskosmologian eri teorioiden suosion ymmärtämiseksi viimeisen parinkymmenen vuoden ajalta on välttämätöntä hahmottaa myös tiedeyhteisön sosiaalista toimintaa. Tämä voi olla tutkijoille avuksi muiden tutkimuksen arvottamisessa ja tehdessä päätöksiä siitä, mitä itse tutkia.

Fysiikan jatko-opiskelijoille kaavaillaan muuten pakolliseksi lyhyttä kurssia fysiikan historiasta ja filosofiasta, olen mukana muotoilemassa sen sisältöä.

---

Tieteilijät väärässä, tiede oikeassa

9.2.2015 klo 10.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitan Helsingin Sanomien tänään julkaistussa kolumnissa siitä, että BICEP2 ei löytänytkään gravitaatioaaltoja:

”Tarinan opetus on, että ei pidä luottaa tieteilijöihin, ainoastaan tieteeseen.”

Kyseessä on näillä näkymin viimeinen kolumni Helsingin Sanomissa.

---

Aarretta ei löytynyt, tutkimusmatka jatkuu

2.2.2015 klo 22.46, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime maaliskuussa BICEP2-tutkimusryhmä ilmoitti löytäneensä gravitaatioaaltojen jalanjäljen kosmisessa mikroaaltotaustassa. Heti alkuun jotkut harmittelivat, että Planck-tutkimusryhmältä meni Nobel sivu suun, koska BICEP2:n väittämät aallot olivat niin voimakkaita, että Planck olisi voinut havaita ne.

Viime viikonloppuna ilmestynyt analyysi selittää, miksi Planck ei nähnyt todisteita gravitaatioaalloista: todisteita ei ole.

BICEP2:n väite herätti innostusta tutkijoiden keskuudessa, mutta pian sitä kohtaan myös esitettiin vakavia epäilyksiä. Syyskuussa Planck julkisti tuloksensa, joiden mukaan Linnunradan pölystä tulevat mikroaallot voivat aiheuttaa sellaisen kuvion, minkä BICEP2 näki. Planckin havaintojen lisäksi BICEP2:n väitteen tarkistamisessa ovat avuksi BICEP2-ryhmän uudella Keck-teleskoopillaan tekemät tarkemmat mittaukset.

BICEP2 ja Planck ovat analysoineet havaintonsa yhdessä. Tulosten oli määrä ilmestyä jo marraskuussa, ja ne lopulta julkistettiin viime viikonloppuna. Analyysin mukaan suuri osa BICEP2:n näkemistä kuvioista selittyy pölyllä. On mahdollista, että BICEP2:n näkemän kuvion taustalla on sekoitus pölyä ja gravitaatioaaltoja, mutta ei ole mitään erityistä syytä ajatella niin: pöly voi riittää.

Planck-ryhmällä on vielä töitä satelliitin havaintojen läpikäymisessä, ja sekä BICEP2-ryhmä että sen kilpailijat tekevät uusia mittauksia. On luultavaa, että kosminen inflaatio on muinaisina aikoina synnyttänyt gravitaatioaaltoja, ja ne aiheuttavat kuvion kosmiseen mikroaaltotaustaan. Ei kuitenkaan tiedetä, onko se niin voimakas, että se näkyy lähitulevaisuuden kokeissa.

Euroopan avaruusjärjestö ESAn viime viikonlopun lehdistötiedote muotoilee asian niin, että vaikka gravitaatioaaltoja ei nyt nähtykään, ”tämä ei suinkaan todista inflaatiota vääräksi”. Tämä on hämmentävä tapa sanoa, että nykyiset havainnot tukevat voimakkaasti inflaatiota. BICEP2:n havainto olisi vain kertonut tarkemmin siitä, miten inflaatio olisi tapahtunut. Koska havainto ei pidäkään paikkaansa, on enemmän mahdollisuuksia sille, miten inflaatio olisi voinut tapahtua, ei vähemmän.

ESA yrittää paikata sitä, että BICEP2-ryhmä kuvasi löytöään ensimmäiseksi suoraksi todisteeksi inflaatiosta, ja tätä mainostettiin julkisuudessa. Väite oli liioiteltu, ja johdattelee ajattelemaan, että kun BICEP2 oli väärässä, niin inflaatiosta ei ole todisteita. Tapaus on varoittava esimerkki siitä, miten tuloksista tiedotettaessa olisi syytä olla huolellinen ja pitäytyä tosiseikoissa.

---

Vaniljan tuolla puolen

26.1.2015 klo 22.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin toissaviikolla Beyond ΛCDM -konferenssissa Oslossa. Menneinä aikoina konferensseissa esiteltiin tuoreita tuloksia. Nykyään tutkimuksen hedelmät nautitaan nettiarkisto arXivista heti niiden valmistuttua, ja konferensseissa laitetaan ennemmin tunnettuja asioita järjestykseen ja vaihdetaan näkökulmia kuin julkistetaan mitään uutta.

Oslon tapaaminen keskittyi säröjen etsimiseen kosmologian vakiintuneesta mallista, joka tunnetaan kirjainyhdistelmällä ΛCDM. Ensimmäinen kirjain viittaa tyhjön energiaan, jota yleensä merkitään symbolilla Λ, ja loppuosan CDM on lyhenne sanoista cold dark matter, kylmä pimeä aine. Mallissa on muitakin osia, ja sen voi tiivistää seuraavasti.

Varhaisina aikoina maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyi jonkun kentän energian takia. Tämä kosminen inflaatio teki näkemästämme maailmankaikkeuden osasta ison ja melkein tasaisen. Inflaation aikana kvanttivärähtelyistä syntyi galaksien ja muun rakenteen siemenet ja gravitaatioaaltoja. Inflaation loputtua siitä vastuussa ollut kenttä hajosi hiukkasfysiikan Standardimallin hiukkasiksi (joista mekin rakennumme) ja pimeäksi aineeksi, joka koostuu toistaiseksi tuntemattomista raskaista hiukkasista. Maailmankaikkeuden ollessa noin kahdeksan miljardin vuoden ikäinen sen laajeneminen alkoi jälleen kiihtyä tyhjön energian ajamana. Kaikkina aikoina maailmankaikkeuden laajeneminen ja rakenteiden kehitys on yleisen suhteellisuusteorian mukaista.

Mallissa on kolme palaa, joista ollaan vielä kohtuullisen epävarmoja: inflaatio, pimeä aine ja tyhjön energia. Nimessä ΛCDM esiintyy näistä vain kaksi, joten mallin muut nimet saattavat olla osuvampia. Niitä ovat ”standardimalli” (se on yleisesti hyväksytty), ”sopumalli” (se sopii lähes kaikkiin havaintoihin) ja ”vaniljamalli” (se on oletusvalinta kosmologisten mallien joukossa).

Nimi ”standardimalli” voi olla hieman harhaanjohtava, koska sen voi käsittää niin, että malli olisi teoreettisesti yhtä perusteltu kuin hiukkasfysiikan Standardimalli, mikä lieneekin ollut yksi syy nimen valintaan. Mallit ovat kuitenkin luonteeltaan hyvin erilaisia.

Hiukkasfysiikan Standardimalli on kvanttikenttäteorian tarkalle pohjalle rakennettu teoria, jossa on noudatettu Murray Gell-Mannin totalitaristista periaatetta ”kaikki mikä ei ole kiellettyä on pakollista”. Tämä tarkoittaa sitä, että ensin päätetään säännöt ja rakennetaan sitten niiden puitteissa yleisin mahdollinen teoria.

Kosmologian ”standardimalli” on sen sijaan yksinkertaisin mahdollinen rakennelma, joka selittää havainnot, eikä sen yksinkertaisuus seuraa mistään periaatteista. Esimerkiksi ei tiedetä, miksi pimeän aineen hiukkasia olisi vain yksi (tai neljä jos neutriinot lasketaan). Malli ei myöskään ota kantaa siihen, miten inflaatio tarkalleen on tapahtunut tai mikä on se teoreettinen rakennelma, jonka palasia sekä pimeä aine että inflaatio ovat. Yleisesti pidetään myös suurena ongelmana sitä, että vaniljamalli ei selitä tyhjön energian arvoa, mutta hiukkasfysiikassa ei tilanne ole sen parempi siinä mielessä, että Standardimalli ei pysty ennustamaan alkeishiukkasten massojen arvoja.

Voi sanoa, että vaniljamalli kuvaa pimeää ainetta ja inflaatiota yleisluontoisesti, ja odottaa teoriaa, joka kertoisi mistä niissä on tarkalleen kysymys. (Ja voi olla, että myöhäisten aikojen kiihtyvästä laajenemisestakin on vastuussa jokin muu kuin tyhjön energia.) Tällaisia teorioita on satoja, joten on tarkempaa sanoa, että kosmologit odottavat havaintoja, jotka kertoisivat mikä näistä teorioista on oikein – tai että vaniljamalli on jossain suhteessa virheellinen, ei vain epätarkka.

Oslon konferenssissa pureuduttiin tarkkaan sekä vaniljamallin teoreettisiin laajennuksiin ja vaihtoehtoihin (inflaatiolle, pimeälle aineelle ja tyhjön energialle) että havaintoihin. Esille tuotiin useita havaintoja, jotka näyttävät hieman poikkeavan vaniljamallin ennusteista. Oli teoria mikä hyvänsä, lähes aina löytyy jotain ongelmalliselta näyttäviä havaintoja ihan vain siksi, että osa havainnoista, tai niiden tulkinnasta, on väärin. Osa löydetyistä poikkeamista saattaa vihjata vaniljan tuonpuoleisesta fysiikasta, mutta varmuutta ei ole.

Myöskään mikään vaihtoehtoisista teorioista ei ole vakuuttanut suurta osaa kosmologien yhteisöstä. Tämä ei tietenkään tarkoita sitä, etteikö jokin niistä voisi olla oikein, mutta ainakin toistaiseksi ne ovat joko liian kehittymättömiä tai ennusteiltaan liian lähellä vaniljamallia, että ne olisivat osoittautuneet paremmiksi.

Kun BICEP2:n väitetty gravitaatioaaltolöytökin on hiipunut, niin jotkut pelkäävät, että kosmologialla olisi kukoistuksen jälkeen edessään samanlainen kuiva kausi kuin hiukkasfysiikalla. Kosmologien onneksi uusia ja uudenlaisia havaintoja tulee kuitenkin koko ajan lisää, jokusen vuoden kuluttua myös Euroopan avaruusjärjestö ESAn Euclid-satelliitilta. Kosmologit ovat ennemmin nälkäisiä löytöjen puutteessa kuin tyytyväisiä laakereillaan.

---

Sata vuotta kaunista totuutta

13.1.2015 klo 20.44, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitan Helsingin Sanomien eilen julkaistussa kolumnissa seuraavasti:

”Tänä vuonna tulee kuluneeksi sata vuotta siitä, kun Albert Einstein löysi yleisen suhteellisuusteorian. Einsteinin tavoitteena oli ymmärtää gravitaatiota, mutta hänen löytönsä mullisti käsityksemme ajasta, avaruudesta ja historiasta.”

(Kolumnin nimi on julkaisun jälkeen muutettu muotoon ”Einsteinin yleiselle suhteellisuusteorialle on löydetty vain yksi käytännön sovellus”.)

Olen aiemmin kirjoittanut yleisestä suhteellisuusteoriasta ja sen kehittämisestä Tieteessä tapahtuu –lehdessä.