Kaikenlaisia selityksiä
Multiversumi on paljon julkisuudessa. Siitä kirjoitetaan lukuisissa artikkeleissa (se on päässyt Tähdet ja avaruus –lehden 7/2014 kanteenkin), puhutaan lukemattomissa haastatteluissa ja sitä mainostetaan jatkuvasti, kuten Peter Woitin hiukkaskosmologian uutisia ja hölynpölyä seuraavan Not Even Wrong –blogin arkistoista näkyy. Multiversumista myös kysytään usein, joten kirjoitan siitä hieman. (Käsittelin asiaa hieman vuoden 2013 Tieteen päivien kirjassa.)
Multiversumi tarkoittaa kokoelmaa universumeita eli maailmankaikkeuksia. Tämä saattaa kuulostaa ristiriitaiselta, koska usein maailmankaikkeus määritellään siten, että se on kaikki mitä on olemassa. Multiversumilla tarkoitetaankin eri asiayhteyksissä eri asioita, ja joskus puhujille ei ole itselleenkään selvää, mitä he oikein tarkoittavat.
Yksinkertaisimmillaan sana multiversumi viittaa joukkoon maailmankaikkeuden alueita, jotka ovat kaukana toisistaan. Koska valo kulkee äärellisellä nopeudella ja maailmankaikkeuden ikä on äärellinen, jokainen havaitsija näkee vain palasen maailmankaikkeudesta. Meillä ei ole mitään tietoa horisontin takana olevista alueista, joten ne ovat käytännöllisesti katsoen irrallisia maailmankaikkeuksia, ainakin siihen asti kunnes niistä ehtii tulla valoa meille.
Sanaa multiversumi käytetään myös toisella tavalla. Jos maailmankaikkeus ymmärretään koko avaruudeksi, niin multiversumi tarkoittaa sitä, että on olemassa täysin erillisiä avaruuksia, jotka eivät ole yhteydessä keskenään. On tosin epäselvää, mitä tarkoitetaan sillä, että tällaisia avaruuksia on olemassa, koska yleensä fysiikassa jonkin asian olemassaolo tarkoittaa sitä, että sen kanssa on mahdollista vuorovaikuttaa, ainakin periaatteessa.
Tilanne ei tosin ole täysin vieras. Kun maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, aiemmin horisontin sisällä olleet alueet poistuvat horisontista, ja on mahdollista olla yhteydessä yhä pienempään osaan maailmankaikkeutta. Jos kiihtyvä laajeneminen jatkuu ikuisesti, niin kadonneet alueet eivät koskaan palaa takaisin kosketuksiin. Tuntuisi kuitenkin oudolta sanoa, että niitä ei enää ole olemassa. Fysiikan edistys johdattaakin miettimään uudelleen sitä, mitä olemassaolo tarkoittaa, myös esimerkiksi virtuaalisten hiukkasten tapauksessa. Mutta vaikka virtuaalisia hiukkasia ei voi suoraan havaita, ne perustuvat teoreettisesti hyvin tunnettuun ja kokeellisesti tarkasti testattuun kvanttikenttäteoriaan. Multiversumin pohja taas on hatara niin teorian kuin havaintojenkin osalta.
Jos muita maailmankaikkeuksia on olemassa –mitä se sitten tarkoittaakaan– niin ensi silmäyksellä vaikuttaisi siltä, että niillä ei voi olla mitään kokeellista merkitystä, koska ne ovat täysin erillisiä meistä. Multiversumia on yritetty yhdistää havaintoihin antrooppisen periaatteen kautta.
Antrooppinen periaate tarkoittaa yksinkertaisimmillaan sitä, että voimme havaita vain sellaisia maailmankaikkeuksia, ja sellaisista paikoista maailmankaikkeudessa, missä olemassaolomme on mahdollista. Osa havainnoistamme selittyy fysiikan laeilla, osa sattumalla ja osa antrooppisella periaatteella.
Esimerkiksi Aurinkokunnassa planeettojen etäisyyksien ja kiertonopeuksien suhde johtuu siitä, että gravitaatiovoima on kääntäen verrannollinen etäisyyteen. Toisaalta planeettojen lukumäärä on sattumaa: on olemassa aurinkokuntia, joissa on enemmän tai vähemmän planeettoja, eikä kahdeksassa ole mitään erityistä. Se, että kotiplaneettamme on juuri sopivalla etäisyydellä Auringosta elämän synnylle, selittyy antrooppisesti: emme olisi voineet kehittyä Jupiterissa tai Merkuriuksessa.
Tässä tapauksessa antrooppinen selitys perustuu siihen, että tiedämme, että on olemassa muita aurinkokuntia ja tunnemme niiden kehityksen määräävät fysiikan lait. Muuten ei olisi mahdollista selvittää, onko kysymys luonnonlaista, sattumasta vai antrooppisesta valinnasta.
Antrooppista periaatetta on viime aikoina sovellettu multiversumiin maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen selittämiseksi. Kiihtyvän laajenemisen syytä ei varmasti tiedetä, mutta suosituin vaihtoehto on tyhjän tilan energia. Tyhjön energia selittää hyvin havainnot, jos se on tarpeeksi pieni, mutta on vaikea ymmärtää, miksi se olisi niin pieni.
Jos oletetaan, että on olemassa multiversumi ja eri maailmankaikkeuksissa tyhjön energian on eri suuruinen, niin antrooppisen periaatteen mukaan elämme sellaisessa maailmankaikkeudessa, jossa tyhjön energia on yhteensopiva olemassaolomme kanssa. Jos tyhjön energia olisi paljon havaittua isompi, kiihtyvä laajeneminen olisi alkanut aiemmin, eikä planeettoja –eikä meitä– olisi olemassa. Mutta jos tyhjön energia olisi pienempi, niin siitä ei olisi olemassaolomme mitään haittaa. Pitää siis vielä keksiä joku syy, jonka mukaan suurimmassa osassa maailmankaikkeuksista tyhjön energia on niin iso kuin mahdollista ja olettaa, että meidän maailmankaikkeutemme on tyypillinen. Silloin havaittu tyhjön energian arvo on todennäköinen.
Tällainen selitys tyhjön energialle on saanut suosiota useiden kosmologien ja hiukkasfyysikoiden keskuudessa. Sen sosiologinen menestys on johdatellut seuraamaan samaa epätoivon reittiä muidenkin ongelmien kohdalla. Esimerkiksi ei tiedetä, mistä Higgsin hiukkasen massa määräytyy, mutta jos se olisi hyvin erilainen, niin maailmankaikkeus näyttäisi tyystin toisenlaiselta, eikä meitä olisi olemassa.
Antrooppinen selitys on kuitenkin saanut paljon kritiikkiä osakseen, ja monien tutkijoiden mielestä se ei ole edes kritisoimisen arvoinen. Ongelmana on se, että toisin kuin planeettojen tapauksessa, ei ole todisteita siitä, että olisi olemassa muita maailmankaikkeuksia, joissa on toisenlaiset olosuhteet kuin omassamme. On hyviä syitä ajatella, että on paljon avaruutta paljon tämänhetkisen horisontin tuolla puolen, mutta ei ole mitään vakuuttavia syitä uskoa, että siellä olisi perustavanlaatuisesti erilaista kuin täällä. Mitä täysin erillisiin avaruuksiin tulee, niiden olemassaololle ei ole mitään kunnollista teoreettista perustetta.
On esitetty, että säieteoria ennustaa multiversumin. Säieteoria on tutkituin ehdokas kvanttiteorian ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistäväksi yhtenäisteoriaksi. Teoriaa ei kuitenkaan ole saatu täysin muotoiltua, eli ei tiedetä, mitä säieteoria tarkalleen on, joten se ei myöskään (ainakaan vielä) ennusta mitään. Itse asiassa antrooppista selitystä tyhjön energialle käytetään usein todisteena säieteorian oikeellisuudesta. Tällainen päättely on tieteellisen käytännön vastaista: jos tiedämme multiversumin olemassaolon ainoastaan säieteoriasta, niin emme samaan aikaan voi käyttää multiversumia todisteena sille, että säieteoria pitää paikkansa. Joidenkin multiversumin kannattajien mielestä tämä on hyvä syy muuttaa tieteen käytäntöjä.
Multiversumiselitysten suurin ongelma on se, että ne ovat hedelmättömiä. Ne eivät ennusta mitään, ja niitä sovelletaan vain selittämään havaintoja, jotka jo tiedetään, mutta joita ei ymmärretä.
Jos protonin elinikä olisi liian lyhyt, niin protonit olisivat tähän päivään mennessä hajonneet, eikä meitä olisi. Ei tiedetä, miksi protonien elinikä on niin pitkä. Jos protonin pitkäikäisyyden haluaisi selittää antrooppisesti, niin eliniän ei tarvitsisi olla kovin paljon maailmankaikkeuden nykyistä ikää pidempi. Protonin elinikä on kuitenkin yli kymmenentuhatta miljardia miljardia kertaa tätä pidempi. Tästä ei kuitenkaan päätellä, että antrooppinen periaate olisi väärä, vaan että protonin eliniällä on jokin muu selitys.
Toisaalta vuonna 1973 C.B. Collins ja Stephen Hawking esittivät, että avaruuden litteys selittyy antrooppisesti: jos avaruuden kaarevuus olisi iso, meidän olemassaolomme ei olisi mahdollista. 1980-luvun alussa keksittiin, että inflaatio selittää avaruuden litteyden, ja antrooppiset arvelut muuttuivat tarpeettomiksi.
On mahdollista, että elämme multiversumissa, jossa tyhjön energia selittyy antrooppisesti. On myös mahdollista, että elämme tietokonesimulaatiossa, jonka on tehnyt jokin supersivilisaatio, joka on jättänyt tyhjön energian vihjeeksi siitä, että maailmamme ei ole todellinen. Kummastakaan mahdollisuudesta ei ole mitään todisteita, eikä niiden pohtiminen vie tiedettä eteenpäin.
27 kommenttia “Kaikenlaisia selityksiä”
Vastaa
Talouden ennustaminen ja tieteilijöiden vastuu
Tieteessä tapahtuu –lehden numerossa 6/2014 on minulta taloustiedettä koskeva puheenvuoro. Se on vastaus kansantaloustieteen professori Vesa Kanniaisen numerossa 5/2014 olleeseen kommenttiin Helsingin Sanomien kolumnistani. Kirjoitan seuraavasti:
”Kun kosmologit ovat väärässä, tai kun julkisuudessa esitellään heidän tuloksiaan virheellisesti, seuraukset ovat korkeintaan noloja. Taloustiedettä sen sijaan käytetään oikeuttamaan miljoonien ihmisten hyvinvointiin ja kokonaisten yhteiskuntien poliittiseen tulevaisuuteen ratkaisevasti vaikuttavia päätöksiä.”
Yksi kommentti “Talouden ennustaminen ja tieteilijöiden vastuu”
Vastaa
Sisäistetty seksismi
Kirjoitan Helsingin Sanomien tänään julkaistussa kolumnissa seuraavasti:
”Tutkijat lähettivät luonnontieteen alan yliopistolaisille Yhdysvalloissa hakemuksia, jotka olivat täysin samanlaisia hakijan nimeä lukuun ottamatta.
Puolessa hakemuksista oli miehen ja puolessa naisen nimi. Naisen nimellä varustetut hakijat arvioitiin järjestään vähemmän päteviksi ja heille tarjottiin pienempää palkkaa. Naispuoliset arvioijat eivät pitäneet naisten hakemuksia sen parempina kuin miespuoliset.”
Olen kirjoittanut kyseisestä tutkimuksesta aiemmin täällä.
Vastaa
Pyramidin tasanteelle
Kisälliaikani lähestyy loppua. Olen allekirjoittanut ensi vuoden alusta alkavan ja toistaiseksi voimassa olevan työsopimuksen yliopistotutkijana Helsingin yliopistolla. Väittelin tohtoriksi vuonna 2002, ja minulla on sen jälkeen ollut kolme kahden-kolmen vuoden postdoc-paikkaa ennen nykyistä vajaan viiden vuoden sijaisuuttani, ja välissä joitakin viikkojen-kuukausien kestoisia vierailutyösuhteita.
Tämä on tavallinen kuvio, ja jokaisella uudella askelmalla on vähemmän paikkoja. Epävarmuus onkin tutkijana olemisen ikävin puoli. Olenkin vain osittain leikilläni kirjoittanut, että tutkijoille pysyvän työpaikan saaminen on merkittävämpi tavoite on kuin suuren yhtenäisteorian löytäminen. (Pysyvistä työpaikoista puhuminen Suomessa on sinänsä harhaanjohtavaa, että yliopisto voi irtisanoa työsopimuksia siinä missä muutkin työnantajat, akateemikkojen asema ei ole yhtä turvattu kuin Pohjois-Amerikassa.)
Jotkut tutkijat ajattelevat, että epävarmassa vaiheessa he tekevät vähemmän riskialtista tutkimusta ja siirtyvät vaikeiden kysymysten pariin vasta pysyvän työpaikan saatuaan. On kuitenkin helppo tahtomattaan ruveta kuvittelemaan, että oma työ on sittenkin mielekästä, eikä toimintamallien muuttaminen vuosien jälkeen ole helppoa.
Olen itse yrittänyt tutkia minua kiinnostavien aiheiden lisäksi valtavirrassa olevia helppoja asioita tarvittavien ansioiden saamiseksi. On vaikea arvioida, kuinka hyvin tämä on toiminut. Kosmologien yhteisö on avoin valtavirran ulkopuolisille ideoille, jotka esitetään ymmärrettävästi, ja olen saanut mieluisia työpaikkoja, mutta tuurilla on ollut siinä osuutensa.
Pysyvän paikan suomaa vapautta rajoittaa se, että niihin kuuluu muitakin velvollisuuksia kuin tutkimus, kuten opetusta, apurahojen hakemista opiskelijoille ja tutkimusryhmälle, järjestämistä ja kaikenlaisia muita hallinnollisia toimia. Janne Saarikivi vertasi hiljattain professoreja pankinjohtajiin, joiden tehtävänä on lähinnä hankkia rahaa ja hallinnoida. (Sanottakoon, että fysiikan laitoksella on erinomainen tukihenkilöstö, joka hoitaa suuren osan niistä asioista, joita on muualla nähtävästi sälytetty nimellisesti tutkimaan palkattujen henkilöiden harteille.)
Eräs kollegani mainitsikin professuurin saatuaan, että hän olisi mieluummin ottanut lyhytkestoisen ja vähemmän velvollisuuksia sisältävän postdoc-paikan (tämä oli Ranskassa, jossa professoreilla on enemmän velvollisuuksia kuin Suomessa). Omaan toimenkuvaani kuuluu ensi vuoden alusta tutkimuksen ja opetuksen lisäksi vastuu fysiikan laitoksen tieteen popularisoinnista ja yleisölle suunnatusta viestinnästä.
Pysyvä paikka ei ole pyramidin huippu, mutta se lopettaa pitkän epävarmuuden jakson; on kuin tasanteelle saapuisi.
4 kommenttia “Pyramidin tasanteelle”
-
Olli huikuri sanoo:
Mielestäni juuri Syksyllä on onnistumisen edellytykset tieteen popolarisoijana ja yleisöviestinnästä vastaavana.
Se, mitä olen lukenut hänen kirjoituksiaan, vakuuttaa minut siitä. -
KH sanoo:
Jos pysyvä paikka tulevaisuudessa on epävarmaa sinunlaisellesi tutkijalle, niin miten epävarmaa se sitten on keskivertotutkijalle? Onko alalle edes järkevää kouluttautua, jos jo lähtökohtaisesti on vain keskinkertainen, vaikka kiinnostus ja motivaatio fysiikkaa ja koko alaa kohtaa olisikin valtava?
-
Syksy Räsänen sanoo:
KH:
Pysyvän työpaikan saaminen akateemisessa maailmassa on kaikille epävarmaa. Mutta koulutuksella (ja mahdollisella tutkimuskokemuksella) saa kyllä helposti työpaikan akatemian ulkopuolelta, eli tutkijaksi heittäytymällä ei menetä mitään.
Fyysikkojen työllistymisestä tarkemmin:
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/tyonhaaroja
-
Olli huikuri:
Kiitos luottamuksesta!
Vastaa
Rakennustelineitä ja muotiarvosteluja
Viime perjantaina ilmoille tulleessa Yöradion haastattelussa toimittaja Justus Laitinen kysyi, kuinka suuri rooli filosofialla on teoreettisessa fysiikassa. Muistaakseni vastasin, että fysiikka voi valaista jotain filosofisia kysymyksiä, ja toisaalta filosofisia ideoita käytettiin apuna etsittäessä 1900-luvun alussa tietä klassisesta fysiikasta suhteellisuusteoriaan ja kvanttifysiikkaan. Vertasin näitä viime vuosisadan alun filosofisia ideoita rakennustelineisiin: kun katedraali on valmis, niitä ei enää tarvita. Jotkut Albert Einstein yleisen suhteellisuusteorian etsimisessä käyttämät filosofiset ideat eivät olleet edes sopusoinnussa lopulta löydetyn teorian kanssa.
Rakennustelinevertaus voi olla siinä mielessä harhaanjohtava, että fysiikan teorioiden kehittämisessä ei tyypillisesti käytetä lainkaan filosofiaa, ja filosofialla on ollut 1900-jälkipuoliskolta lähtien fysiikassa hyvin pieni osa. Taisin haastattelussa ilmaista asian niin, että filosofialla ei ole nykyiselle teoreettiselle fysiikalle mitään annettavaa. Tämä oli kuitenkin hätäisesti sanottu.
Pitää kyllä paikkansa, että nykyfysiikan teorioiden muotoilussa filosofiasta ei ole mitään hyötyä. Fysiikan kehittäminen perustuu kokeiden ja matematiikan yhteiseen edistykseen aiempien teorioiden viitekehyksessä. Teoriat ovat niin kehittyneitä, että arkiajatteluun sidoksissa olevan mielikuvituksemme käsityksillä siitä, millainen maailma saattaisi olla ei ole niille mitään merkitystä, vaikka sen tunnustaminen voikin olla vaikeaa.
Sen sijaan filosofiaa saatetaan tarvita muotoiltujen teorioiden arvioimisessa. Silloin kun teoria ja kokeet etenevät samaa tahtia ja on mahdollista erottaa kokeellisesti toisistaan, mitkä teoriat ovat oikein ja mitkä väärin, filosofialle ei ole juuri sijaa. Mutta joskus teoria kasvaa irralleen kokeista tai havainnot menevät teorian edelle, ja on vaikea selvittää mitkä teoriat ovat oikein ja mihin suuntaan pitäisi edetä.
Koska fysiikassa totuus ja kauneus ovat tiukasti sidoksissa toisiinsa, tällainen tilanne voi johtaa sekä esteettisten kriteerien ylikäyttöön teorioiden muotoilussa että fysiikan estetiikan kehityksen tyrehtymiseen. Samalla sosiologisten tekijöiden ja muotivirtausten rooli voi kasvaa kohtuuttoman isoksi ja ohjata tutkimusta hedelmättömille poluille. Tällöin sosiologiaan kallellaan olevalla filosofia voi auttaa setvimään, mitkä mittatikut ovat suoria ja millaiset kysymykset vievät umpikujaan.
Filosofia voi myös helpottaa arkiajattelun käsitteiden kytkemistä fysiikan teorioihin ja niiden paikan osoittamisessa arjen tuonpuoleisessa maailmassa. Kuten kirjoitin Tieteessä tapahtuu –lehdessä viime vuonna korjatessani joitakin virheellisiä väitteitä kvanttimekaniikasta ja suhteellisuusteoriasta: ”fysiikassa on paljon mielenkiintoisia kysymyksiä, kuten kvanttimekaniikan todellisuuskäsitys, Higgsin epistemologia ja multiversumin tutkimuksen sosiologia, joihin filosofeilla voi olla paljon annettavaa”.
Yksi kommentti “Rakennustelineitä ja muotiarvosteluja”
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Piirileikkejä
Vastaa
Maailmankaikkeuden muodonmuutokset on kirjattu kehoomme
Kirjoitan Helsingin Sanomien tänään julkaistussa kolumnissa seuraavasti:
”Maailmankaikkeuden historia on kirjoitettu kehoomme: koostumme protoneista ja neutroneista, jotka on kasattu ensimmäisten mikrosekuntien aikana; meille keskeinen hiili on syntynyt punaisten jättiläistähtien ytimessä; solujemme sisällä on elämän kielioppikirja ajoilta, jolloin Maa oli nuori ja kuuma.
Me emme ole erottamaton osa maailmankaikkeutta, mutta se on erottamaton osa meitä.”
Vastaa
Sanoja yöllä ja päivällä
Olen perjantaina 17.10. keskiyöllä YLEn yöradiossa Justus Laitisen haastateltavana kosmologiasta ja tieteestä yleisemminkin. Haastattelu nauhoitettiin toissapäivänä, ja ainakin filosofian merkityksestä tieteelle sanoin harkitsemattomasti, pitää varmaan kirjoittaa asiasta tarkemmin täällä blogissa lähipäivinä. Olen lähetyksen aikana ohjelman shoutboxissa vastaamassa kysymyksiin. (Päivitys 17/10/14: Toimittaja sairastui, joten en olekaan vastaamassa kysymyksiin.)
Matematiikkalehti Solmun uusimmassa numerossa on arvioni Teuvo Laurinollin lukiomatematiikan pohjalta tekemästä katsauksesta suppeaan suhteellisuusteoriaan.
Olen maanantaina 8.12. kello 16 Helsingin yliopiston Metsätalolla mukana AID (Agora for Interdisciplinary Debate) -foorumin paneelikeskustelussa ennustamisesta tieteessä. Muina osallistujina ovat Heikki Järvinen (meterologia ja ilmastotiede) ja Antti Ripatti (taloustiede).
Osallistun torstaina 8.1. kello 15 Tieteen päivillä 2015 paneelikeskusteluun aiheesta ”Tiede, tutkimus ja ihmisoikeudet” Helsingin yliopiston päärakennuksen salissa 12. Paneelin vetää ihmisoikeuskomitean puheenjohtaja Jukka Kekkonen.
Päivitys (19/10/14): Yöradion haastattelu on Areenassa.
Vastaa
Pöly on laskeutunut
Maanantaina 22.9. Planck-tutkimusryhmä julkisti tuloksensa Linnunradan pölyn lähettämistä mikroaalloista. Kosmologian näkökulmasta Linnunrata on vain ikkunassa olevaa likaa, joka haittaa kauas näkemistä. Niinpä havainnot galaksimme pölystä eivät yleensä juuri kiinnosta kosmologeja. Planckin uusia tuloksia on kuitenkin odotettu innolla maaliskuusta asti, jolloin BICEP2-tutkimusryhmä väitti löytäneensä gravitaatioaaltojen sormenjäljen kosmisessa mikroaaltotaustassa. Mielenkiinnon syynä on se, että kosmisen signaalin erottelemiseksi havainnoista täytyy tuntea Linnunradasta tuleva kohina tarkkaan.
Käsittelin jokusessa merkinnässä BICEP2:n havaintojen tulkintaa, sekä epävarmuutta siitä, pitääkö tulos paikkansa. Ensimmäisessä merkinnässäni kirjoitin, että ”tulos on merkittävämpi kuin Higgsin löytäminen, mutta siihen pitää myös suhtautua varovaisesti: pöly ei ole vielä laskeutunut” ja että ”on syytä odottaa muiden ryhmien analyysejä BICEPin datasta ja Planck-satelliitin tuloksia ennen kuin jättää konditionaalit pois”.
Konditionaalit olivat paikallaan. Lyhyesti sanottuna, Planckin uuden tutkimuksen mukaan BICEP2:n katsoman taivaan osan pölyn lähettämistä mikroaalloista syntyy juuri sellainen kuvio minkä BICEP2 näki. Planckin tulokset ovat saaneet asianmukaisesti huomiota, mainitsen useista kirjoituksista vain Naturen artikkelin ja yhteistyökumppanini Sesh Nadathurin blogimerkinnän, joista jälkimmäinen on selkein näkemäni selostus aiheesta.
BICEP2-teleskooppi oli erikoistunut laite, joka oli suunniteltu mittaamaan mikroaaltojen polarisaatiota tietyllä aallonpituudella tietyssä kohtaa taivasta. (Jonkinlainen selitys siitä, mitä polarisaatio on, löytyy täältä.) BICEP2:n valttina oli se, että se keskittyi sellaiseen kaistaan taivasta, jonka pölystä odotettiin tulevan erityisen vähän polarisoitunutta säteilyä. Koeryhmällä ei kuitenkaan ollut luotettavia karttoja siitä, paljonko polarisoitunutta säteilyä Linnunradan eri puolilta tulee. Planckin tulokset osoittavat nyt, että mikään osa taivasta ei ole niin puhdas, että pölyn voisi jättää huomiotta.
Planck esitti myös arvion siitä, paljonko pölystä tulee polarisoitunutta säteilyä juuri BICEP2:n katsomalla alueella. Tämän tekeminen ei ole aivan suoraviivaista, koska toisin kuin BICEP2, Planck-satelliitti oli yleislaite, joka mittasi valon kirkkautta ja polarisaatiota yhdeksällä aallonpituudella koko taivaalla. Planck ei pysty suoraan toistamaan BICEP2:n polarisaatiomittausta yhtä suurella tarkkuudella.
Planck-ryhmä käytti sen sijaan hyväksi sitä, että Planck näkee lyhyempiä aallonpituuksia kuin BICEP2, ja pölystä tulee lyhyemmillä aallonpituuksilla enemmän polarisoitunutta säteilyä. Ryhmä sai tehtyä kartan pölyn lähettämästä polarisoituneesta säteilystä taivaan eri puolilla, mukaan lukien BICEP2:n katsomalla alueella, mutta eri taajuudella kuin mitä BICEP2 mittasi. Sitten ryhmä selvitti eri taajuuksien välisen polarisaatiosignaalin välisen suhteen ympäri taivasta. Jos oletetaan, että BICEP2:n valitsemassa alueessa tämä suhde ei merkittävästi poikkea siitä, mitä se on taivaalla keskimäärin, niin saadaan arvio alueen pölyn lähettämästä polarisoituneesta valosta BICEP2:n näkemällä aallonpituudella.
Tulos näyttää juuri siltä, mitä BICEP2 oikeasti näki. Toisin sanoen, BICEP2:n havaintojen selittämiseen ei tarvita gravitaatioaaltoja, Linnunradan pöly riittää.
Tämä ei todista, että BICEP2 ei olisi nähnyt gravitaatioaaltoja, vain sen, että niistä ei ole mitään todisteita. Asian varmistamiseksi BICEP-ryhmä tekee paraikaa uusia mittauksia kahdella aallonpituudella (ja on laajentamassa kolmanteen), ja työskentelee Planck-ryhmän kanssa havaintojen yhdistämiseksi. Lisätietoja on luvassa marraskuussa Planckin julkistaessa lisää havaintojaan, mutta lopullista selvyyttä ei ehkä saada vielä silloin.
BICEP2:n väite herätti intoa kosmologien keskuudessa: BICEP2:n ja Planckin tulosten julkistamisen välisen puolen vuoden aikana tuli julki lähes 700 artikkelia, joissa viitataan BICEP2:n artikkeliin. Huomattava osa niistä käsitteli BICEP2:n tulosten teoreettista tulkintaa olettaen, että ne ovat oikein. Epäilyjä oli jo ennen Planckin tämän viikon tuloksia, ja niiden myötä innostus on kaikonnut. BICEP2 ei silti ollut turha koe, sen havainnot rajoittavat esimerkiksi mahdollisten kosmisten säikeiden ja magneettikenttien ominaisuuksia.
Kuten mainitsin mikroaaltotaustan kylmästä läikästä kirjoittaessani, se että jotkut esittävät tehneensä havainnon tai teoreettisen löydön, jota muut sitten yrittävät kumota tai varmentaa, on tavallista tieteen tekemistä. Tieteen luotettavuus ei perustu siihen, että tieteilijät olisivat niin nerokkaita ja huolellisia, että he esittäisivät vain paikkansapitäviä väitteitä, vaan siihen, että tiedeyhteisö suhtautuu kaikkiin väitteisiin kriittisesti, joten virheelliset saadaan karsittua pois.
Avainasemassa on se, että muilla on mahdollisuus päästä käsiksi alkuperäisiin laskuihin ja havaintoihin sekä tehdä omia havaintojaan. Sillä, että tieteelliset artikkelit käyvät läpi vertaisarvioinnin, on vähäisempi rooli. Artikkelin julkaiseminen on laatuleima, joka kertoo, että yhden tai kahden vertaisarvioijan mielestä artikkelissa ei ole ilmeisiä virheitä. Jos tulokset eivät ole ilmeisen väärin, niiden oikeellisuus tarkistetaan kuitenkin pääosin tiedeyhteisön toimesta, ei parin kustannustoimittajan valitseman henkilön. BICEP2-ryhmän artikkelin julkaistu versio erosi merkittävästi alunperin julkistetusta versiosta siten, että siinä ei enää väitetty, että on havaittu gravitaatioaaltoja. Tähän kuitenkin luultavasti vaikutti se, että kritiikkiä oli jo esitetty muissa artikkeleissa, joihin julkaistussa versiossa viitataankin.
Kenties voidaan tosin sanoa, että lehdistötilaisuuksien kanssa olisi syytä olla huolellisempi, eikä sanoa tulosta varmaksi ennen kuin muut ovat sen tarkistaneet. On tavallista, että suurelle yleisölle mainostetaan löytöjä ennen kuin tiedeyhteisö on niistä vakuuttunut. Vastakkaisiakin esimerkkejä on: Higgsin kohdalla oltiin suorastaan kohtuuttoman varovaisia sen suhteen, koska hiukkanen julistettiin löydetyksi ja milloin sitä alettiin kutsumaan Higgsin hiukkaseksi.
Päivitys (25/09/14): Mainitsen vielä Resonaancesin ja Telescoperin blogimerkinnät aiheesta.
6 kommenttia “Pöly on laskeutunut”
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Viserrystä taivaasta
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Jälkeen jääneistä
Vastaa
Ammattilainen osaa ajatella niin kuin vaaditaan
Kirjoitan Helsingin Sanomien tänään julkaistussa kolumnissa seuraavasti:
”Kyse ei ole siitä, etteikö ammattilaisella olisi moraalia. Pikemminkin kyse on siitä, että hän osaa arvioida tekojensa eettisyyttä työyhteisön hyväksymien sääntöjen mukaan ja ymmärtää, että itsenäisten moraalisten päätösten tekeminen toimeksiantoon liittymättömien seikkojen perusteella on epäammattimaista.”
Vastaa
Myöhästyneitä viestejä
Aikaa käsittelevän merkinnän kommenteissa kysyttiin siitä, miten massakeskittymät vaikuttavat valon kulkuaikaan ja valon perusteella pääteltyihin etäisyyksiin, joten kirjoitan sen tiimoilta jotain. (Olen aiemmin käsitellyt etäisyyksien mittaamista supernovien ja parallaksin avulla.)
Olen kirjoittanut siitä, miten gravitaatiolinssit taivuttavat valoa ja vääristävät niiden takana olevien kohteiden kuvia kehiksi tai kaariksi. Gravitaatiolinssejä listaavan CASTLES-tietokannan sivuilla on kuva siitä, miltä muutaman kymmenen metrin päässä oleva rakennus näyttäisi, jos välissä olisi musta aukko, jolla on sama massa kuin Saturnuksella.
Gravitaatiolinssit jakavat valonsäteitä, niin että samaan aikaan samasta paikasta lähteneet säteet matkaavat eri reittejä. Koska reitit ovat eri pituisia, valonsäteiden matka-aika on erilainen, eli osa valosta tulee myöhässä. Jos lähtevä valo on erilaista eri hetkinä, niin ero matka-ajassa voidaan mitata: eri reittejä matkanneet valonsäteet näyttävät samaa elokuvaa eri kohdista.
On varsin harvinaista, että sopivalla aikavälillä muuttuva tarpeeksi kirkas kohde sattuisi tarpeeksi massiivisen kohteen taakse niin että gravitaatiolinssin aikaviive olisi mahdollista mitata. Taivas on kuitenkin täynnä tavaraa, joten joskus käy tuuri. Toistaiseksi aikaviiveitä on mitattu luotettavasti noin kymmenestä tai kahdestakymmenestä kohteesta – lukumäärä riippuu siitä, kuinka tiukka on luotettavuuden suhteen.
Pisin mitattu aikaviive on noin kaksi vuotta ja lyhin on noin viikon. Valon matka-aika on kummassakin tapauksessa kymmenen miljardia vuotta, eli linssin aiheuttama muutos on isoimmillaan noin miljardisosan suuruinen.
Aikaviivettä voi käyttää maailmankaikkeuden tämänhetkisen laajenemisnopeuden mittaamiseen. Maailmankaikkeuden etäisyydet riippuvat siitä, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee, joten myös valon matka-aika riippuu siitä. Aikaviiveen suhde matka-aikaan puolestaan määräytyy siitä, miten massiivinen gravitaatiolinssi on ja miten sen massa on jakautunut (kirjoitin hieman tästä aiemmassa merkinnässä).
Jos linssin vääristämän kuvan muodosta pystytään päättelemään, millainen linssi on, niin voidaan laskea, kuinka suuri aikaviive on suhteessa matka-aikaan. Kun lisäksi mitataan viive, voidaan päätellä matka-aika ja siten linssin etäisyys ja maailmankaikkeuden laajenemisnopeus. (Tässä selityksessä on yksinkertaistettu aika paljon. Itse asiassa päättelyssä tarvitaan muutakin tietoa etäisyyksistä, mutta ei mennä siihen.)
Toistaiseksi tulosten tarkkuus on jättänyt toivomisen varaa. Suurin ongelma on se, että aikaviive riippuu voimakkaasti linssien rakenteesta, ja linssien yksityiskohdista on melko paljon epävarmuutta.
Vuonna 2020 taivaalle nousevan Euclid-satelliitin odotetaan mittaavan noin satatuhatta voimakasta gravitaatiolinssiä. Euclidin lisäksi linssejä pitää mitata tarkasti Maan päältä käsin teleskoopeilla kaiken tarvittavan datan saamiseksi, mutta joka tapauksessa linssien suuren määrän odotetaan parantavan niiden avulla tehtävien mittausten tarkkuutta merkittävästi.
Gravitaatiolinssien tapauksessa valonsäteiden reiteissä on vain pieni ero. Entäpä jos tarkastellaan valonsäteitä, jotka ovat kulkeneet täysin eri reittejä, esimerkiksi sellaisia, jotka tulevat taivaan vastakkaisilta puolilta? Kosmisesta mikroaaltotaustasta näkee, että maailmankaikkeus on hyvin samanlainen eri suunnissa, kunhan katsoo kosmologisille etäisyyksille satojen miljoonien valovuosien päähän. Niinpä ei ole suurta väliä, mistä suunnasta tulevaa valoa katselee. Ei ole ihan selvää, kuinka suuria pienet erot eri suuntien välillä ovat (eräs tämänhetkinen tutkimusaiheeni itse asiassa liittyy tähän), mutta luultavasti ne ovat korkeintaan prosentin luokkaa, jos sitäkään.
Jos multiversumista ei ole todisteita niin onko se vähän kuin uskonto?
Keksii kreationistitkin ”todisteita” ja ”teoriota” evoluutiota vastaan.
Risto Lautala:
Ajatusrakennelma ei kaiketi kelpaa uskonnoksi vain siksi, että sille ei ole todisteita.
Multiversumi on tieteellistä spekulaatiota. Jos jokin muilta osiltaan kokeellisesti varmennettu teoria ennustaisi multiversumin olemassaolon, niin se voisi kehittyä hyödylliseksi osaksi tiedettä.
Tällä hetkellä on mielestäni vaikea sanoa, ovatko multiversumia käyttävät antrooppiset selitykset tiedettä vai ei – ehkä ne vielä ovat, mutta raja pseudotieteeseen ei ole kaukana.
Kiitokset mielenkiintoisesta kirjoituksesta!
Katselin jokin aika sitten Leonard Susskindin luentoa, jossa hän multiversumeista puhuessaan mainitsi että kahden multiversumin törmääminen voisi olla mahdollista, ja tämä olisi myös mahdollista havaita. Tämä arvostetun fyysikon kommentti herätti minussa kaksi kysymystä, joita uskallan näin sopivan blogimerkinnän kohdalla kysyä.
1. Miten nämä multiversumimallit määrittelevät ”tilan” jota laajenevat maailmankaikkeudet kyntävät ennen yhtymistään, sillä jossainhan ajattelisi olevan ajanhetki t-1 ennen törmäystä? Toisaalta nykykäsityksen mukaan yksittäisen maailmankaikkeuden kohdalla tätä tilaa ei ole olemassa.
2. On ehdotettu että fysiikan lait voisivat olla erilaisia eri multiversumeissa. Kun kaksi eri laeilla varustettua maailmankaikkeutta törmäävät, mitkä ovat vallitsevat luonnonlait tässä kombinaatiossa?
Blogimerkinnästäsi kävi hyvin selväksi miten huteralla pohjalla nämä mallit ovat, mutta koska moni fyysikko uskoo niihin, olisi mielenkiintoista tietää miten heidän matematiikkansa vastaa näihin kysymyksiin.
Jarno:
1. Tässä on kyse saman avaruuden kahden eri alueen törmäämisestä.
2. Riippuu siitä, millä tavalla luonnonlait ovat erilaisia. Olisi kyllä tarkempi puhua luonnonlakien realisaatiosta kuin itse laeista. Tämä tarkoittaa sitä, että ajatellaan olevan olemassa samat lait, joita molemmat alueet noudattavat, mutta alueiden olosuhteissa on eroja.
Esimerkiksi alkeishiukkasten massa määräytyy Higgsin kentän arvosta. Jos Higgsin kentän arvo on maailmankaikkeuden jossain osassa erilainen kun täällä kotona, niin hiukkasten massat ovat erilaiset, ja aine käyttäytyy siksi hyvin eri tavalla. Tässä mielessä voidaan sanoa, että ainetta koskevat luonnonlait ovat erilaiset, mutta ne palautuvat samaaan Higgsin kenttää koskevaan lakiin.
(Näissä maailmankaikkeusten törmäyksissä ei ole kysymys Higgsin kentän arvosta, mutta idea on sama.)
Yleinen huomio muuten: pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka ovat kaukana merkinnän aiheesta. (Ei liity edelliseen kysymykseen, joka oli sen ytimessä!)
Syksy kirjoitti:
”1. Tässä on kyse saman avaruuden kahden eri alueen törmäämisestä.”
Jos saman avaruuden kaksi eri aluetta voivat törmätä keskenään, niin miten se tapahtuu?
Liikkuvatko saman ( laajenevan ) avaruuden eri alueet suhteessa toisiinsa jossakin tausta-avaruudessa?
Miksi ylipäätään on keksitty avaruus joka muuttuu?
Eikö riitä että on olemassa ainetta joka kokee muutosta avaruudessa joka ei muutu?
Ihmettelijä:
Tapauksessa, josta Jarno mainitsi, on kyse on siitä, että kaksi avaruudessa kasvavaa kuplaa törmää toisiinsa – hieman kuin kaasukuplat törmäävät kiehuvassa vedessä.
Olen kirjoittanut muuttuvaa avaruutta kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian löytämisestä hieman täällä:
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kaareuden_kietoutumista
Ymmärrän kyllä miten aine laajenee ulos päin jo olemassa olevaan avaruuteen, mutta avaruushan ei laajene ulos päin jo olemassa olevaan tilaan?
ymmärrän myös miten laajenevat kaasukuplat liikkuvat jo olemassa olevassa avaruudessa ja törmäävät, mutta miten kaksi avsruutta liikkuu suhteessa toisiinsa ja miten ne törmäävät keskenään?
Mistä avaruus itse koostuu ja miten avaruudet vuorovaikuttavat keskenään?
Laajeneva kaasu koostuu erillisistä hiukkasista jotka liikkuvat suhteessa toisiinsa avaruudessa?
Mistä toistensa kanssa törmäävät avaruudet koostuvat?
Tämä blogimerkintä voisi olla hyvä tilaisuus kysyä, missä määrin fyysikot osallistuvat pohdintaan, voisiko tässä omassa, tai ehkä jossain toisessa universumissa, elämä perustua aivan toisiin molekyyleihin kuin tuntemamme elämän molekyylit.
Onko aihetta jotenkin tutkittu luonnontieteen keinoin?
Syksy kirjoitti:
”Tapauksessa, josta Jarno mainitsi, on kyse on siitä, että kaksi avaruudessa kasvavaa kuplaa törmää toisiinsa – hieman kuin kaasukuplat törmäävät kiehuvassa vedessä.”
Avaruushan nimenomaan laajenee siten ettei se laajene ulos päin jo olemassa olevaan tilaan?
jos näin, niin miten kaksi eri alueen laajenevaa avaruutta voisivat törmätä keskenään, vaikka olisivatkin samaa laajenevaa avaruutta?
Laajenevat kaasukuplat laajenevat ulos päin jo olemassa olevaan avaruuteen ja sen lisäksi ne vielä liikkuvat suhteessa toisiinsa siinä jo olemassa olevassa avaruudessa, joten laajenevien kaasukuplien osalta tilanne on aivan erilainen?
Ihmettelijä:
Kuten sanottua, Jarnon mainitsemassa tapauksessa on kyse aineen liikkeestä avaruudessa. Tässä tapauksessa kyseinen aine ei koostu hiukkasista, vaan kyseessä on kenttä – ei mennä tähän tarkemmin. Samoin aika-avaruuskaan ei koostu mistään hiukkasista, sillä ei ole mitään alirakennetta.
Avaruuden laajenemisesta hieman täällä:
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajaton_kasvu
Edson:
On kyllä. En tunne asiaa, mutta onneksi Ursalla on astrobiologian blogi:
https://www.ursa.fi/blogi/elaman-keitaita/
Syksy Räsänen
”Kuten sanottua, Jarnon mainitsemassa tapauksessa on kyse aineen liikkeestä avaruudessa. Tässä tapauksessa kyseinen aine ei koostu hiukkasista, vaan kyseessä on kenttä – ei mennä tähän tarkemmin. Samoin aika-avaruuskaan ei koostu mistään hiukkasista, sillä ei ole mitään alirakennetta.”
Aine siis koostuu erillisistä tihentymistä jotka liikuvat suhteessa toisiinsa ja siksi aineella on kyky kokea muutosta!
Sen tiheys ja tilavuus kokee siis muutosta jo olemassa olevassa avaruudessa joka on jo olemassa, eikä aineen tiheyden tilavuuden muuttuminen vaadi sellaista avaruutta joka myös kykenee muuttumaan.
Mihin avaruuden itsensä kokema muutos perustuu?
Aineen muutos perustuu LIIKKEESEEN joka tapahtuu avaruudessa!
Liittyykä liike mitenkään siihen että avaruus itse kokee muutosta?
jos ei, niin mihin se avaruuden itsensä kokema muutos perustuu?
Ihmettelijä:
Tämä riittäköön tästä.
Jos olen käsittänyt oikein esim. David Deutschin edustaman MM-tulkinnan (jossa kvanttitapahtuman dekoherenssissä ei ”romahdusta” tapahdu vaan maailmat ”eriytyvät” toisiksi determinismin säilyttämiseksi), niin nämä eri ”maailmat” esim jakavat (yllätys yllätys) tämän saman avaruus-aika ”tilan” meidän kanssamme. Hän on myös esittänyt (kirjan Brown: Kvanttitietokone mukaan) hypoteettisen kokeen maailmojen mahdollisesta interferenssistä. Tähän tarvittaisiin ei enempää eikä vähempää kuin täydellisen tietoisuuden omaava tietokone, joka tekisi kvanttitapahtumasta ”mittauksen”. Tämän jälkeen sen tulisi täydellisesti ”unohtaa” näkemänsä (jotta koherenssi säilyisi). Nyt tehtäisiin interferenssikoe eri maailmojen välillä. Jos koe antaisi aina tuloksen 1 (eli maailmat interferoisivat) olisi monimaailmatulkinta oikea, jos tulisi 50/50 1-0 niin Köpistulkinta.
Koe lienee mahdottomuudessaan kaukainen haave.
Lentotaidoton:
Monimaailmatulkinnassa eri vaihtoehdot vastaavat eri aika-avaruuksia. (Aika-avaruuden käytöshän, eli gravitaatio, määräytyy aineesta, eli jos maailmankaikkeuden aine on jakautunut eri tavalla, myös aika-avaruus on erilainen.)
Kvanttimekaniikan monimaailmatulkinta onkin yksi esimerkki multiversumista, jossa maailmankaikkeudet ovat erillisiä toisistaan.
Kyllä, mutta vaikka eri vaihtoehdot vastaisivat (ominaisuuksiltaan) eri aika-avaruuksia, niin olen käsittänyt, että nimenomaan Deutschin MM-tulkinnassa nämä muut ”aika-avaruudet” eivät sijaitsisi kuitenkaan ”jossain tuolla”, vaan ”tässä ja nyt” ja siksi determinismi säilyisi (ja ilmeisesti useampiulottuvuuksisina kuten mahdollisesti tämä omammekin). Deutschin mukaanhan nämä maailmat voivat periatteessa interferoida (mm. kaksoisrakokokeessa ”varjofotoneina”). Taitaa olla niin monta soppaa kuin on hämmentäjiä.
Lentotaidoton:
Minulla on eri käsitys, mutta en juuri tunne Deutschin ehdotuksia, voin olla väärässäkin.
http://www.hedweb.com/manworld.htm#where
Where are the other worlds?
Non-relativistic quantum mechanics and quantum field theory are quite unambiguous: the other Everett-worlds occupy the same space and time as we do.
The implicit question is really, why aren’t we aware of these other worlds, unless they exist ”somewhere” else? To see why we aren’t aware of the other worlds, despite occupying the same space-time, see ”Why do I only ever experience one world?” Some popular accounts describe the other worlds as splitting off into other, orthogonal, dimensions. These dimensions are the dimensions of Hilbert space, not the more familiar space-time dimensions.
Kiitos kun kerroit kantasi multiversumeista näin selkeästi.
Myös tyhjän tilan energia mietityttää minua. Onko se jotenkin todettu eli tiedetäänkö mitä se on?
Kun näet sanotaan, että maailmankaikkeus laajenee tyhjän tilan energian takia ja laajeneminen kiihtyy, koska samalla syntyy lisää tyhjää tilaa ja samalla tietenkin sen energiaakin – niin se kuulostaa kyllä aika tyylipuhtaalta kehäpäätelmältä.
Lentotaidoton:
Tuo selitys on hyvin ongelmallinen, ei vähiten siksi, että se heijastaa klassisen fysiikan kuvaa aika-avaruudesta näyttämönä, johon tapahtumat eivät vaikuta. Ks. yllä.
Tapsa:
Ks. http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/paljon_tyhjasta
onko maailmankaikkeuden laajentumisen kiihtyvyys kääntäen verrannollinen etäisyyteen?
Ei.