Kosmokseen kirjoitettua

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.)

---

Kahden ikkunan näköala

31.5.2015 klo 21.12, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitin edellisessä merkinnässä tavoista, joilla kvanttimekaanisen maailman epämääräisyyttä on yritetty ymmärtää. Käsittelin aihetta aika yleisellä tasolla, joten havainnollistan tässä asiaa esimerkillä.

Eräs yksinkertaisimpia tilanteita, missä kvanttimekaniikan epädeterminismi ja epämääräisyys tulevat esille on kaksoisrakokoe. Kokeessa lähetetään hiukkasia kohti seinää ja katsotaan, mihin kohtaan ne osuvat. Lähettäjän ja seinän välissä on levy, jossa on kaksi aukkoa (kutsutaan niitä aukoiksi 1 ja 2).

Klassisen fysiikan hiukkanen menee joko aukosta 1 tai aukosta 2. Kun lähetetään iso määrä hiukkasia, niin seinälle tulee kaksi kasaa, yksi kummankin aukon kohdalle.

Klassisessa fysiikassa on hiukkasten lisäksi myös aaltoja, esimerkiksi vesiaaltoja. Kun aalto törmää levyyn, jossa on kaksi aukkoa, joiden koko on paljon aallonpituutta pienempi, niin kummastakin aukosta alkaa uusi aalto. Tämän voi todentaa vaikka laittamalla järven pintaan levyn, jossa on kaksi aukkoa.

Kokonaisaallon korkeus on näiden kahden aallon yhteenlaskettu korkeus. Niinpä se riippuu siitä, miten aaltojen harjat ja pohjat osuvat yhteen: tätä sanotaan interferenssiksi. Seinälle päätyvän aallon korkeus on suurin siellä, missä molemmilla aalloilla on harjat ja pienimmillään siellä, missä ne molemmat ovat pohjassa. Siinä missä klassisten hiukkasten tapauksessa muodostuu kaksi kasaa, aallot synnyttävät seinälle vaihtelevien korkeiden ja matalien korkeuksien sarjan, interferenssikuvion.

Vesiaallot ja yksittäiset klassiset hiukkaset käyttäytyvät eri tavalla siksi, että veden molekyylit tönivät toisiaan ja vaikuttavat siksi toistensa liikkeisiin. Jos vettä lähetettäisiin seinää kohti pieni pisara kerrallaan, niin sinne tulisi kaksi kasaa (tai ennemminkin läiskää).

Valolle kaksoisrakokokeen teki ensimmäisen kerran Thomas Young vuonna 1807. Siinä näkyi samanlainen interferenssikuvio kuin vesiaalloilla. Tämän katsottiin osoittavan, että valo koostuu aalloista eikä hiukkasista, toisin kuin oli aiemmin ajateltu. Sata vuotta myöhemmin, 1900-alussa, kuitenkin hahmotettiin, että valokin käyttäytyy kuten se koostuisi hiukkasista. Tässä ei välttämättä ole ristiriitaa: vesi aaltoilee, mutta koostuu hiukkasista.

Tilanne menee kuitenkin omituiseksi, kun lähetetään valohiukkasia yksi kerrallaan. Tällöin odottaisi, että kävisi kuten veden tapauksessa: jos aine menee pieni pala kerrallaan, niin seinälle tulee kaksi kasaa. (Valolla kokeen voi toteuttaa vaikkapa siten, että seinä on päällystetty aineella, johon jää jälki valon osuessa siihen, niin että nähdään, mihin valoa on tullut.) Toisin kuitenkin käy: kun valohiukkasia lähetetään monta kappaletta, seinälle ilmestyy laaksojen ja huippujen sarja, eli interferenssikuvio.

Klassisen fysiikan puitteissa tulos on käsittämätön: interferenssi voi syntyä vain, jos aalto menee läpi molemmista aukoista, mutta kukin hiukkanen voi mennä vain yhdestä aukosta.

Kvanttimekaniikassa ongelma ratkeaa siten, että ennen törmäämistään seinään hiukkanen on epämääräisessä tilassa, jossa sillä on tietty todennäköisyys olla mennyt aukosta 1 ja tietty todennäköisyys olla mennyt aukosta 2. Hiukkasen todennäköisyys osua tiettyyn kohtaan seinää määräytyy näiden kahden mahdollisuuden yhteispelistä vesiaaltojen korkeuden tapaan, mikä synnyttää interferenssikuvion. Kvanttimekaniikan mukaan siis kaikki seuraavat väittämät ovat virheellisiä:

Hiukkanen meni aukosta 1.

Hiukkanen meni aukosta 2.

Hiukkanen ei mennyt kummastakaan aukosta.

Hiukkanen meni molemmista aukoista.

Ennen törmäämistä seinään hiukkasen tila oli epämääräinen, eli sillä ei ollut määrättyä paikkaa, eikä siten myöskään määrättyä rataa avaruudessa. Jos mitataan, mistä aukosta hiukkaset menevät, niiden tila tulee määrätyksi, ja saadaan kaksi kasaa, kuten klassisten hiukkasten tapauksessa. Interferenssikuvio siis osoittaa, että hiukkasen tila todella on ollut epämääräinen.

Kokeen voi toistaa muullakin kuin valolla, ja kvanttimekaniikan mukaan voi käyttää miten isoja kappaleita tahansa, esimerkiksi koripalloja, joita heitetään kohti levyä, jossa on kaksi aukkoa. Tai miksei vaikka ihmisiä, joiden pitää mennä kahdesta oviaukosta. Kappaleiden pitää kuitenkin olla hyvin eristettyjä ympäristöstään, muuten voidaan seurata niitä ja tietää, kummasta aukosta ne menivät. Tämä dekoherenssina tunnettu ilmiö selittää sen, miksi on vaikeaa havaita epämääräisyyttä isojen kappaleiden tapauksessa. Isoin kappale, jolla epämääräisyys on todennettu, on 810 atomista koostuva molekyyli.

Edellisessä merkinnässä esittelemäni lähestymistavat epämääräisyyteen selittävät kaksoisrakokokeen tuloksen eri tavoin.

Deterministisissä teorioissa hiukkasella on aina määrätty paikka, joten se menee jommastakummasta aukosta. Interferenssikuvio selitetään siten, että on hiukkasten lisäksi olemassa jokin kenttä, joka käyttäytyy aaltomaisesti. Tämä kenttä määrää sen, miten hiukkaset liikkuvat, mutta sitä ei itsessään voi havaita, mikä tuntuu hieman epäilyttävältä. Mieleen tulee 1800-luvun eetteri, jonka esitettiin kuljettavan valoaaltoja, mutta jota ei itsessään voinut havaita, ja joka osoittautui tarpeettomaksi suppean suhteellisuusteorian myötä.

Teorioissa, joissa tila määräytyy itsestään, hiukkanen matkaa aukoista epämääräisessä tilassa, mutta seinän kohtaaminen saattaa hiukkasen määrättyyn tilaan. On ollut vaikea löytää sellaisia tilan määräytymisen teorioita, jotka olisivat teoreettisesti ongelmattomia ja sopusoinnussa kaikkien havaintojen kanssa.

Kolmannen vaihtoehdon tarjoavat teoriat, joissa hiukkasen tila ei määräydy koskaan. Niiden mukaan hiukkanen on aina sekoituksessa vaihtoehtoja, jossa se osuu seinän eri kohtiin tietyllä todennäköisyydellä, mutta me havaitsemme niistä vain yhden. Ei tosin ole vielä osoitettu, että tämän selittäminen kvanttimekaniikan puitteissa on mahdollista – tai ainakaan selitykset eivät ole vakuuttaneet koko tiedeyhteisöä.

Kvanttimekaniikan epämääräisyys ja epädeterminismi ovat kaiken elektroniikan ja nykyaikaisen kemian pohjana, eli melkeinpä kaikki nykyteknologia perustuu niihin. Esimerkiksi se, että kännykkä toimii osoittaa, että klassisen fysiikan, ja arkiajattelumme, kuva maailmasta on perustavanlaatuisesti virheellinen. Harvat ilmiöt kuitenkaan tarjoavat niin kirkkaan ikkunan kuin kaksoisrakokoe siihen, että maailma ei ole ennakkoluulojemme mukainen.

---

Kööpenhaminan takana

28.5.2015 klo 17.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Nykyfysiikan perustana olevat suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka ovat arkijärjelle vieraita. Niiden käsitteet ovat kovin erilaisia kuin ne, mitä syntyjämme käytämme maailman hahmottamiseen.

Suhteellisuusteoria laajentaa käsityksiämme ajasta ja avaruudesta kauas arjen tuolle puolen. Se kuitenkin nivoutuu jokapäiväiseen kokemukseemme saumattomasti siinä mielessä, että suhteellisuusteoria myös selittää, miksi avaruus ja aika näyttävät arkisen yksinkertaisilta niissä olosuhteissa, joihin olemme tottuneet. Toisin on kvanttimekaniikan kohdalla. Kvanttimekaniikan omituisuudet liittyvät siihen, että sen mukaan todellisuus on epädeterministinen ja epämääräinen.

Epädeterminismi tarkoittaa sitä, että ei ole mahdollista ennustaa sitä, mitä tapahtuu, ainoastaan todennäköisyyksiä eri vaihtoehdoille. Esimerkiksi LHC-kiihdyttimen kokeissa voidaan ennustaa vain se, millä todennäköisyydellä mitäkin hiukkasia syntyy ja mihin suuntaan ne lähtevät. Epämääräisyys tarkoittaa sitä, että asioiden nykytila ei ole määrätty. Ennen kuin törmäyksessä syntyneet hiukkaset iskevät detektoriin, ne eivät ole kulkeneet mitään reittiä, vaan ovat tilassa, jossa niillä on tietyt todennäköisyydet ollut kulkea eri teitä.

Yleensä epämääräisyyttä käsitellään Kööpenhaminan tulkintana tunnetulla reseptillä. Sen mukaan systeemin tila on epämääräinen, kunnes se havaitaan, joten fyysikoiden pitää vain laskea todennäköisyyksiä ja verrata niitä havaintoihin. David Mermin on kuvaillut tätä sanoilla ”turpa kiinni ja laske”. (Usein tämä kyseenalaisen lennokas lausahdus laitetaan virheellisesti Richard Feynmanin nimiin.)

Kööpenhaminan toimintaohje nostaa havaitsijan keskeiseen rooliin, mikä törmää ylitsepääsemättömään ongelmaan viimeistään siinä vaiheessa, kun tarkastellaan kosmologiaa. Kosmisen inflaation mukaan kaikki maailmankaikkeuden rakenteet (mukaan lukien me) ovat syntyneet sekunnin ensimmäisen murto-osan aikaisista kvanttivärähtelyistä. Jos kvanttivärähtelyillä ja siten maailmankaikkeuden rakenteilla ei ole määrättyä tilaa ennen kuin joku on paikalla havaitsemassa niitä, mutta havaitsijat syntyvät kvanttivärähtelyistä, päädytään umpikujaan. Kvanttimekaniikka, tai ainakin ymmärryksemme siitä, on puutteellinen. Onkin esitetty useita ideoita Kööpenhaminan tulkinnan jättämän aukon paikkaamiseksi.

Yksi ehdotus on se, että kvanttimekaniikan takana on deterministinen teoria. Klassinen fysiikka näyttää deterministiseltä, mutta sen takana on epädeterministinen kvanttimekaniikka. Ehkä seuraava taso on taas deterministinen, ja kvanttimekaniikan epädeterminismi ja epämääräisyys ovat näennäisiä? Klassisessa fysiikassa käytetään todennäköisyyksiä kuvaamaan tilanteita, joissa systeemin tila on määrätty, mutta sitä ei tarkalleen tunneta, ja kvanttimekaniikassakin voisi olla kyse vain tietämättömyydestä. Ajatus on houkutteleva, koska se näyttäisi helposti ratkaisevan kvanttimekaniikan omituisuudet: ne johtuisivat vain siitä, että sovellamme teoriaa sen pätevyysalueen ulkopuolelle, eli otamme sen liian vakavasti.

Ehdotukset tällaisiksi deterministisiksi teorioiksi eivät kuitenkaan ole saaneet suosiota fyysikoiden keskuudessa. Tähän on kaksi syytä. Ensinnäkin, Bellin epäyhtälöön liittyvät koetulokset osoittavat, että maailma on joko epämääräinen ja epädeterministinen, tai sitten epälokaali. Epälokaalius tarkoittaa sitä, että maailmankaikkeuden eri osat tietävät mitä kaikkialla muualla tapahtuu koko ajan etäisyydestä riippumatta, tai ainakin tieto niiden välillä kulkee valoa nopeammin. Tätä on vaikea sovittaa yhteen suppean ja yleisen suhteellisuusteorian kanssa.

Toinen determinististen teorioiden ongelma on se, että kvanttimekaniikka toimii kokeellisesti erittäin hyvin. Kvanttikenttäteoria, jossa kvanttimekaniikka on yhdistetty suppeaan suhteellisuusteoriaan, toimii vielä paremmin. Itse asiassa se on tarkimmin testattu fysiikan teoria, eikä mitään poikkeamia siitä ole löydetty. Niinpä determinististen teorioiden pitäisi toistaa kvanttiteorian ennustukset hyvin tarkasti täysin toisenlaiselta pohjalta. Tämä ei ole helppoa, ellei teoriaa kyhää niin, että sen ennusteet ovat lähtökohtaisesti tismalleen samat kuin kvanttiteorian.

Yleensä perustavanlaatuiset teoriat rakennetaan jonkin periaatteen pohjalle, ja tästä seuraa uudenlaisia ilmiöitä. Esimerkiksi suhteellisuusteorian mukaan informaatio ei voi kulkea valoa nopeammin, mikä johtaa gravitaatioaaltoihin, joita ei ole Newtonin gravitaatioteoriassa. Ehdotetut deterministiset teoriat sen sijaan lähtevät olemassa olevan teorian ennusteiden toistamisesta. Jos ennusteet ovat täysin samat, on kyseenalaista, voiko puhua uudesta teoriasta, vai onko kyseessä vain erilainen tulkinta.

Uuden kaavun laittaminen vanhan teorian ylle voi olla houkuttelevaa silloin, jos uusi asu on entistä siistimpi. Mutta sen sijaan, että deterministiset ehdotukset selkeyttäisivät teoriaa, ne ovat lisänneet siihen ylimääräistä rakennetta, josta ei kuitenkaan seuraa mitään uutta. Lisäksi nämä teoriat ovat epälokaaliutensa vuoksi arkijärjelle vieraita, joten outoudesta ei päästä täysin eroon. Ei tiedetä, ovatko deterministiset ehdotukset väärin, mutta toistaiseksi ne ovat olleet hedelmättömiä.

Toinen vaihtoehto Kööpenhaminan tulkinnalle on muuttaa kvanttimekaniikkaa siten, että tietyissä olosuhteissa systeemin tila määräytyy itsestään. Tällöin säilytetään kvanttimekaniikan epämääräisyys ja epädeterminismi, mutta päästään eroon havaitsijaan liittyvistä ongelmista. Eräs motivaatio tällaisille teorioille tulee kvanttifysiikan toisesta puutteesta: ei vielä tiedetä, miten gravitaatiota pitäisi käsitellä kvanttimekaanisesti. On ehdotettu, että gravitaatio saisi aikaan tilan määräytymisen, vaikka enimmäkseen kvanttigravitaatiota tutkitaan erillään epämääräisyyden ongelmasta, eikä idea ole alan tutkijoiden keskuudessa juuri saanut jalansijaa.

Tällaisten ehdotusten rakentelulle on sama rajoite kuin deterministisille teorioille: teoria ei saa olla ristiriidassa kvanttimekaniikan kokeellisen menestyksen kanssa. Tässä tapauksessa ongelma voi olla jopa pahempi, sillä tilojen määräytyminen itsestään on iso muutos, ja se johtaa helposti muihinkin poikkeamiin. Tunnen näitä teorioita lähinnä sen osalta, miten niitä on sovellettu kosmiseen inflaatioon, ja siinä kehitys ei ole pitkällä. Toisaalta sellaiset tilanmääräytymisteoriat, jotka on tarkoitettu selittämään laboratorio- ja kiihdytinkokeita, eivät vaikuta selittävän kosmologista tilannetta kovin hyvin.

Sekä deterministisen että itsestään määräytyvän teorian mahdollisuus on kiinnostava, mutta ennen kuin ryhtyy sellaisia rakentelemaan, pitäisi olla varma siitä, että kvanttimekaniikkaa on todella tarpeen muokata. Emme nimittäin tiedä, onko systeemin tila koskaan määrätty, vain sen, että se näyttää meistä määrätyltä. Inflaation yhteydessä mainitsin ongelman siitä, että jos systeemin tila on määrätty vain, koska on havaitsijoita, mutta havaitsijoiden olemassaolo edellyttää sitä, että tila on määrätty. Tämän ongelman voi kääntää ratkaisuksi sanomalla, että maailman näkeminen määrättynä on edellytys sille, että koemme olevamme olemassa.

On esitetty erilaisia ideoita siitä, miten tämä voisi tapahtua. Niillä on yhteistä se, että maailma on todella koko ajan epämääräinen, mutta koemme siitä vain pienen osan: pyrkimyksenä on selittää vain kokemuksemme, ei koko maailmaa kerralla. Ilmiö nimeltä dekoherenssi on tässä keskeisessä osassa. Jotkut tällaisten ideoiden kannattajat ovat sitä mieltä, että he ovat ratkaisseet kaikki kvanttimekaniikan tulkintaongelmat, ja mitään selitettävää ei enää ole. Suurin osa fyysikkojen yhteisöstä ei kuitenkaan ole samaa mieltä (tai ei edes pidä ehdotuksia niin kiinnostavina, että olisi tutustunut niihin).

Tilanne on sinänsä kummallinen, että kvanttimekaniikan matematiikka on melko yksinkertaista, toisin kuin yleisen suhteellisuusteorian tai kvanttikenttäteorian, joten luulisi olevan helppoa tarkistaa, onko jokin sitä koskeva väite oikein vai väärin. Kvanttimekaniikan käsitteellinen ero arkiajatteluun on kuitenkin niin iso, että teoriaa päivittäin käyttävien tutkijoidenkin voi olla vaikea hahmottaa, mitä kaikkea siitä seuraa. Esimerkiksi epämääräisyyden osoittava Bellin epäyhtälö esitettiin vasta 1964, vaikka se on suoraviivainen sovellus kvanttimekaniikan perusteista. Kvanttimekaniikan käsitteiden sulauttaminen ajatteluun on tutkijayhteisölläkin vielä kesken, vaikka teoria on kohta sata vuotta vanha.

---

Ei tiedettä ilman ennustuksia

4.5.2015 klo 20.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tieteessä tapahtuu –lehdessä 3/2015 on artikkelini ennustamisesta. Ingressi on seuraava:

”Hahmottelen ennustamista tieteessä, käyttäen esimerkkeinä hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa. Sana tiede tarkoittaa tässä luonnontiedettä laajasti ymmärrettynä, eli karkeasti sanottuna rationaalisia yrityksiä selvittää sitä, millainen fysikaalinen todellisuus on. En väitä näiden huomioiden olevan omaperäisiä.”

Artikkeli perustuu AID-tilaisuudessa 8.12.2014 pitämääni esitykseen, ja se jatkaa taloustieteen tiimoilta käytyä keskustelua. Lehdessä on myös tilaisuudessa puhuneiden taloustieteilijä Antti Ripatin ja meteorologi Heikki Järvisen tekstit, ja AID-keskustelun järjestäneen Uskali Mäen johdanto. Kaikki tekstit ovat luettavissa lehden sivuilta.

---

Oppimisesta ja vapaudesta

29.4.2015 klo 00.25, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuin viime perjantaina 24.4. Lauttasaaren yhteiskoulun 70-vuotisjuhlissa. Olin kyseisessä koulussa yläasteen ja lukion. Puheeni meni jokseenkin seuraavasti. (Olen tähän korjannut ja tarkentanut mainintani Bielefeldin yliopiston tutkimuksesta.)

Minua pyydettiin puhumaan tulevaisuuden koulusta. Vastasin, että en ole paras henkilö siihen, kun en tunne nykyisyydenkään koulua. Sanon kuitenkin muutaman sanan oppimisesta ja vapaudesta, aihetta sivuten.

Eräs nykyajan merkittävä ero niihin aikoihin, kun itse kävin koulua, on tiedon laaja ja nopea saatavuus internetistä. Voidaan sanoa, että sen takia on tärkeää keskittyä opetuksessa tiettyjen tietojen välittämisen sijaan kykyyn arvioida ja vertailla tietoja, eli lukea kriittisesti. Mutta perehtyminen on myös hyödyllistä.

Otan esimerkiksi matematiikan. Voi kysyä, mitä järkeä on opetella laskemaan yksinkertaisia integraaleja, kun tuloksen saa Wolfram alphasta muutamassa sekunnissa. Niiden kohdalla, jotka jatkavat koulun jälkeen opintoja aloilla, joilla pitää laskea, yksinkertaisten laskujen oppiminen on toki välttämätön askel monimutkaisiin laskuihin, joiden tuloksia ei saa automaattisesti mistään. Mutta he ovat vähemmistö. Matematiikan opiskelusta on kuitenkin muillekin hyötyä, koska se opettaa ajattelemaan tarkasti ja perehtymään yksityiskohtiin, mikä terävöittää analyyttistä ajattelua ja keskittymiskykyä.

Eräs kollegani Bielefeldin yliopistossa Saksassa kertoi, että siellä oli tehty katsaus koulussa suoritettujen opintojen arvosanojen, sisäänpääsykokeiden arvosanojen ja yliopistokurssien arvosanojen korrelaatioista kielitieteessä ja kirjallisuudentutkimuksessa. Paras ennustava tekijä hyvälle arvosanalle näiden aineiden yliopistokursseista oli hyvä kouluarvosana matematiikassa. (Korrelaatiosta ei tietenkään voi yksinään päätellä syy-seuraus -suhdetta.)

Liikuntaakaan ei opeteta sitä varten, että kaikista tulisi ammattiurheilijoita, vaan kehon harjoittamiseksi ja pitämiseksi kunnossa. Vastaavasti vaativien älyllisten asioiden tekeminen harjoittaa ja kehittää älyä.

Ainakin yliopistossa on kuitenkin paineita muokata opetusta sellaiseksi, että siitä on vain välitöntä, soveltavaa hyötyä, joka auttaa kilpailukyvyn nostamisessa, ja muutenkin lisätä kilpailua opetuksessa ja tutkimuksessa. Minä en pidä kilpailemisesta, enkä etenkään siitä, että siitä tehdään opetus- tai tutkimusjärjestelmän läpitunkeva periaate.

Yksi syy on se, että kilpailussa on voittajia ja häviäjiä, ja on ikävä hävitä.

Jossain mielessä epätasa-arvoisuus tosin kuuluu tieteeseen, ja oppimiseen yleisemmin. Tieteessä kaikkien panos ei ole yhtä arvokas eivätkä kaikki näkökulmat ole yhtä hyödyllisiä – itse asiassa jotkut näkemykset ovat tyystin hyödyttömiä tai niistä on jopa haittaa. Tutkimuksen edetessä toiset tutkijat osoittautuvat olevan oikeassa ja väärät näkökannat jätetään syrjään.

Yhtä lailla tietynlaisessa oppimisessa jotkut vastaukset ovat oikein ja toiset väärin, ja on tärkeää oppia kohtaamaan se, että on väärässä. (On toki paljon ainekohtaisia eroja: vaikkapa kuvataiteeseen arviointi oikeasta ja väärästä istuu huonosti.)

Vastakkainasettelu oikean ja väärän välillä on kuitenkin eri asia kuin kilpaileminen toisten kanssa siitä, kuka voittaa ja kuka häviää. Tieteessä ideoiden vastakkainasettelu takaa etenemisen kohti tarkempaa tietoa, mutta tutkijoiden yhteistyö on välttämätöntä tutkimuksen tekemiselle.

Jos kilpailun yksi ongelma on se, että häviäminen on ikävää, niin toinen ongelma on se, että voittaminen tuntuu hyvältä. Se houkuttelee mittaamaan oman arvonsa kilpailun tulosten mukaan ja johdattelee sellaiseen ajatukseen, että onnellinen elämä on kiinni kilpailun voittamisesta. Tällöin luovuttaa oman arvonsa määrittelemisen niille tahoille, joilla on valta päättää siitä, mistä kilpaillaan, millä säännöillä ja jakaa palkintoja. Kilpailu johdattelee tavoittelemaan elämää, joka ei ole vapaata, vaan jossa on riippuvainen ylempien arvioista ja kokee oman arvonsa määräytyvän saavutuksista, muiden laatimien mittareiden mukaan.

Tällainen kilpaileminen opettaa myös olemaan kyseenalaistamatta kilpailun määrittäjien asetelmaa siitä, mikä on tavoiteltavaa ja mikä on oikein. Jos ei toimi sääntöjen mukaan, ei voi voittaa. Tällaisen viitekehyksen sisäistäminen on vaarallista.

Luottamus yhteiseen viitekehykseen ja sitoutuminen sen sääntöihin on tietysti toimivan yhteiskunnan edellytys. Tämä onkin Suomen yksi vahvuus. Mutta yhteiskunnan normaalitila on nyt, ja on ollut aiemmin, rasistinen, seksistinen ja muilla tavoin syrjivä. Koulussa oppii paljon sellaista, mikä ei ole opetussuunnitelmassa, mukaan lukien yhteiskunnan normeja, niin tarpeellisia kuin sortaviakin.

Laajemmin ajateltuna yhteiskuntamme on hyvin moraaliton. Esimerkiksi puhelintemme ja tietokoneidemme raaka-aineet tulevat osittain maista, joissa käydään sanoinkuvaamattoman raakoja sotia niiden hallitsemisesta, ja laitteet on usein koottu epäinhimillisissä oloissa. On itse asiassa kuvaavaa, että on vaikea edes saada selville –se on jopa laitteiden valmistajille vaikeaa– mihin kaikkeen on osallinen vain ostamalla puhelimen.

Meillä on sotiin suorempikin osallisuus. Suomi käy asekauppaa esimerkiksi Israelin ja äsken Jemeniin hyökänneen Saudi-Arabian kanssa. Mittavien ihmisoikeusrikkomusten edesauttaminen on osa normaalia toimintaa, johon koulu meitä valmistaa. On normaalia, että suomalaiset yritykset valmistavat kehittynyttä teknologiaa, aseet ja niiden komponentit ovat normaali osa tällaisia tuotteita, on normaalia mennä yritykseen töihin, on normaalia olla kyseenalaistamatta yrityksen toimintaa, on normaalia tehdä parhaansa työssään. Vastuu ei rajoitu aseyritysten työntekijöihin: esimerkiksi me kaikki edistämme katastrofaalista ilmastonmuutosta vain elämällä tavalla, joka on normaalia.

Kyse ei ole siitä, että tavoittelisimme ihmisten kurjuutta tai ympäristön tuhoutumista, vaan siitä, että jokainen on oppinut tekemään oman osansa kyseenalaistamatta toiminnan kehystä, jopa pelkäämään sen ulkopuolelle asettumista.

Jos koulun tehtäviin kuuluu oppilaiden kasvattaminen yhteiskunnan jäseniksi, ja luottamuksen rakentaminen toisiin ihmisiin ja yhteiskuntaan, niin yhtä lailla on tarpeen auttaa oppilaita kehittämään sellaista ymmärrystä ja itseluottamusta, joka tekee mahdolliseksi yhteiskunnan normaalina pidetyn toiminnan kyseenalaistamisen. Se on edellytys yhteiskuntamme kääntämiseksi nykyisiltä urilta suuntaan, joka tekee maailmasta oikeudenmukaisemman ja elettävämmän.

 

 

---

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.