Kosmokseen kirjoitettua

Kuplahäiriköt

21.2.2024 klo 21.28, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Toissaviikolla Mark Hindmarsh puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarissa olomuodon muutoksista varhaisessa maailmankaikkeudessa ja kylmässä heliumissa. Mark ja Kuang Zhang kirjoittivat aiheesta myös Fysiikan tutkimuslaitoksen blogiin. Molemmat ovat tutkijoina sekä Helsingin että Sussexin yliopistoissa.

Mark ja Kuang ovat pääasiassa kiinnostuneita siitä, miten aineen olomuoto muuttuu maailmankaikkeuden ollessa sekunnin miljardisodan sadasosan ikäinen. Silloin lämpötila laskee alle miljoonan miljardin asteen, ja Higgsin kenttä muuttaa olomuotoaan – tavallaan jäätyy. Higgsin jäätyminen saattaa alkaa kuplien muodostumisella, samaan tapaan kuin veden kiehuminen. Kuplien pinnan lähellä voi kehittyä enemmän ainetta kuin antiainetta, ja niiden törmäysten mainingit saattavat synnyttää voimakkaita gravitaatioaaltoja, joita valmisteilla oleva LISA-satelliittikolmikko voi havaita.

Hiukkasfysiikan Standardimallissa ei synny kuplia, mutta on valtava määrä Standardimallin laajennuksia, joissa tilanne on toinen. Yleensä hiukkasfysiikot ja kosmologit keskittyvät siihen, millaisia nämä laajennukset ovat ja miten uudet hiukkaset ja vuorovaikutukset vaikuttavat olomuodon muutokseen.

Mark ja Kuang yhteistyökumppaneidensa kanssa ovat ottaneet askeleen taaksepäin. He pohtivat sitä, onko olomuodon muutosta käsitelty alkuunkaan oikein. On olemassa yleisesti käytetty teoria kuplien syntymiselle, ja he tutkivat, voiko sen ennusteisiin luottaa vertaamalla niitä havaintoihin sellaisen aineen tapauksessa, mitä voi mitata maanpäällisissä oloissa.

Joitakin arkisiakin olomuodon muutoksia ymmärretään vielä vajavaisesti. Kaikki tietävät, että normaalipaineessa vesi jäätyy nollassa ja kiehuu sadassa asteessa. Mutta tämän laskeminen vesimolekyylien teoriasta ei ole yksinkertaista. Yksi ongelma on se, että suuri osa olomuodon muutoksista alkaa aineessa olevista epäpuhtauksista: pienet häiriöt johtavat suuriin muutoksiin. Jos lämmittää puhdasta vettä, se säilyy normaalipaineessa nestemäisenä 300 asteeseen asti. Vastaavasti jäähtyvän puhtaan vesihöyryn ennustetaan pysyvän kaasumaisena 50 asteeseen asti.

Veden tapauksessa tämä käytös osataan jokseenkin laskea. Mark ja kumpp. ovat kiinnittäneet huomionsa helium-3:een, eli aineeseen jonka ytimet koostuvat kahdesta protonista ja yhdestä neutronista. Kun lämpötila on noin asteen tuhannesosan verran absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, helium-3:lla on kolme erilaista olomuotoa, joiden nimet ovat normaali, A ja B. Kuten veden tapauksessa, riippuu lämpötilasta ja paineesta, missä olomuodossa aine on. Mutta toisin kuin veden kohdalla, teoreettiset laskut ja havainnot ovat aivan ristiriidassa.

Kun soveltaa puhtaaseen helium-3:een varhaisessa maailmankaikkeudessa käytettävää teoriaa kuplista, saa tulokseksi että jos helium-3 päätyy olomuotoon A, se pysyy siinä äärimmäisen kauan – paljon kauemmin kuin miljardeja vuosia. Kokeissa kuitenkin nähdään, että olomuoto A muuttuu B:ksi minuuteissa tai tunneissa.

On ainakin kaksi mahdollisuutta: joko (kuten vedelle) häiriöt ovat tärkeitä olomuodon muutoksissa, tai sitten teoria kuplien muodostumisesta on väärin. Mark ja kumpp. tutkivat asiaa teoreettisesti ja kokeellisesti Aalto-yliopiston matalan lämpötilan asiantuntijoiden sekä Lancasterin ja Royal Hollowayn yliopistojen kokeellisten fyysikoiden kanssa.

Vaikka tekisi helium-3:a miten huolella tahansa, epäpuhtauksilta ei voi välttyä. Lähes kaikki aine on radioaktiivista, eli sisältää ytimiä jotka hajoavat. Hajoamisessa syntyvät hiukkaset voivat kiitää helium-3:en sisälle, tahrata sen puhtauden ja käynnistää olomuodon muutoksen. Lisäksi Maapallolle tulee koko ajan avaruudesta kosmisia säteitä. Ne iskeytyvät ilmakehän atomeihin, ja törmäyksessä syntyvät hiukkaset voivat lentää maan pinnalle, häiriköidä kokeessa käytettävää helium-3:ta ja työntää olomuodon A pois tasapainosta.

Samanlaisia ongelmia tulee vastaan kun etsitään pimeää ainetta. Silloin pitää erottaa pimeän aineen törmäykset muiden hiukkasten tönimisestä. Kun laitteen panee kaivokseen, yllä oleva kivikuori pysäyttää taivaalta tulevat hiukkaset. Laitteesta tulevat ydinten hajoamistuotteet taasen erottaa siitä, että ne törmäävät yleensä lähellä astian reunoja, eivät sen sisuksissa.

Toinen mahdollinen häiriöiden lähde on reunat. Jossain helium-3:n pitää kohdata muu aine, ja kohtaamispinnan epätasaisuus voi suistaa olomuodon pois tolaltaan. Royal Hollowayssä rakennetaan helium3:lle astia, jonka on niin tasainen kuin atomit vain sallivat. Lancasterin yliopistossa taasen eristetään olomuoto A magneettikenttien avulla reunoista.

Mark ja kumpp. ovat jo laskeneet simulaatioiden avulla teoreettisesti, mitä tapahtuu kun olomuotoa A häiritään. Tällöin syntyy olomuodon B kuplia, mutta vastoin odotuksia helium-3 ei siirry ollenkaan normaaliin olomuotoon. Ei vielä ymmärretä, miksi näin on.

Tarkemmat teoreettiset laskut ja kokeiden tulokset osoittavat, onko teoria kuplien muodostumisesta virheellinen vai selviääkö kaikki häiriöillä. Edellisessä tapauksessa arviot aineen ja antiaineen epäsuhdan ja gravitaatioaaltojen syntymisestä varhaisessa maailmankaikkeudessa menevät uusiksi.

Jälkimmäisessä tapauksessa ongelmaa ei ole: varhaisen maailmankaikkeuden aine on erittäin puhdasta ja ulottuu rajattomiin, eli sillä ei ole reunoja. On tosin mahdollista, että sama Standardimallin laajennus, jonka takia syntyy kuplia, saa aikaan myös kosmisia säikeitä tai muita eksoottisia epätasaisuuksia, jotka muuttaisivat tilanteen.

LISA:n on määrä nousta Aurinkoa kiertävälle radalle vuonna 2035, eli on vielä vuosikymmen aikaa saada ennusteet valmiiksi. Samalla saadaan kenties ymmärrettyä muitakin kuin kosmologisia olomuodon muutoksia paremmin.

---

Parisuhteita

30.1.2024 klo 21.25, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla Giorgio Mentasti Iso-Britannian Imperial Collegesta puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa Aurinkokunnan käyttämisestä gravitaatioaaltojen havaitsemiseen.

Sen jälkeen kun LIGO-koeryhmä helmikuussa 2016 ilmoitti ihmiskunnan historian ensimmäisestä suoraan havaitusta gravitaatioaallosta, niistä on tullut astrofysiikan ja kosmologian keskeisiä tutkimuskohteita.

Gravitaatioaalloilla, kuten sähkömagneettisella säteilyllä, on eri aallonpituuksia. Kun tähtitieteessä on laajennettu havaintoja uusille aallonpituuksille, on löytynyt uudenlaisia ilmiöitä. Esimerkiksi mikroaaltojen, röntgensäteiden ja radioaaltojen kautta havaitaan erilaisia kohteita kuin näkyvän valon avulla. Samaan tapaan eripituisten gravitaatioaaltojen avulla näkee eri kohteita.

LIGO-havaintolaitteet, jotka toimivat yhdessä Virgo– ja KAGRA-laitteiden kanssa, ovat nähneet kymmeniä gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on noin tuhat kilometriä. Euroopan avaruusjärjestö ESA:n LISA–satelliittikolmikon on määrä nousta taivaalle vuonna 2037 mittaamaan gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on miljardi kilometriä, ja kiinalaiset kilpailijat TianQin ja Taiji kirivät ehtiäkseen ensin. Pulsareiksi kutsuttujen pyörivien neutronitähtien lähettämien radiosignaalien avulla on kenties havaittu gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on kymmenen valovuoden suuruusluokkaa.

Samalla fyysikot yrittävät keksiä muita keinoja gravitaatioaaltojen havaitsemiseen. Mentis ja hänen väitöskirjaohjaajansa Carlo Contaldi ehdottavat uutta mutta vanhanaikaista menetelmää: mitä jos kalliiden lasersäteiden ja monimutkaisten satelliittien sijaan katsottaisiin Aurinkokunnan kappaleiden liikkeitä?

Aurinkokunnassa on arviolta miljardi asteroidia ja muuta pientä kappaletta. Niistä noin miljoonan paikat tiedetään. Kun gravitaatioaalto, jonka aallonpituus on Aurinkokuntaa isompi, pyyhkäisee halki Aurinkokunnan, se vaikuttaa samalla tavalla kaikkialla. Tällaisia gravitaatioaaltoja odotetaan olevan maailmankaikkeudessa paljon, ja vaikka mittausmenetelmä ei pystyisi erottamaan yksittäisiä kohteita, se voi havaita aaltojen yhdessä muodostaman kohinan – tähän Mentasti ja Contaldi tähtäävät.

Gravitaatioaaltoja on vaikea havaita, koska niiden aiheuttama muutos yksittäisen kappaleen rataan on pieni, mutta kappaleiden iso lukumäärä helpottaa. Mentastin ja Contaldin menetelmässä seurataan kappaleiden paikkoja suhteessa toisiinsa, joten oleellista on erilaisten asteroidiparien määrä: miljoonasta asteroidista saa muodostettua miljoona miljoonaa paria.

ESA:n Gaia-satelliitti on seurannut Aurinkokunnan asteroideja kymmenen vuotta. Elokuussa aloittava Vera C. Rubin -observatorio mittaa kymmenen vuoden aikana yli viiden miljoonan kappaleen paikkoja Aurinkokunnassa. Signaalin voimakkuus kasvaa nopeasti ajan myötä: mitä pidempään kohteita seuraa, sitä isomman poikkeaman gravitaatioaallot aiheuttavat.

Valitettavasti Gaian herkkyys on sata kertaa ja Rubin-observatorion miljoona kertaa pienempi kuin mitä pulsarien mahdollisesti havaitseman gravitaatioaaltotaustan havaitsemiseen vaaditaan. Havainnointiaikaa on vaikea kasvattaa paljon kymmenestä vuodesta, etenkin satelliittien tapauksessa. Mutta seuraavan sukupolven teleskoopit mittaavat asteroidien ratoja tarkemmin ja kenties havaitsevat useampia niitä. Lisää dataa voi saada myös seuraamalla kaukaisten tähtien paikkoja, ja yhdistämällä ne havaintoihin asteroideista.

Vaikka menetelmä ei ainakaan vielä ole kilpailukykyinen pulsarien kanssa, se on sikäli kiinnostava, että se ei maksa mitään. Asteroidien ratoja seurataan joka tapauksessa muista syistä, ja niiden käyttäminen gravitaatioaaltojen havaitsemiseen on ilmainen bonus. Samaan tapaan pulsarihavaintojen tapauksessa oli tärkeää, että planeettojen liikkeet oli selvitetty tarkkaan muihin tarkoituksiin; Jupiterin sijainti tiedetään 10 kilometrin tarkkuudella.

Fysiikassa tieto ei ole kerros toisensa päälle rakentuva torni, vaan se muodostaa verkon, jonka osat tukevat toisiaan. Kun käsityksemme maailmankaikkeudesta eri saroilla tarkentuu, mahdollisuus löytää poikkeamia tunnetusta fysiikasta kasvaa. Vastaavasti yksittäisten poikkeamien selittäminen muuttuu vaikeammaksi, koska selityksen täytyy olla sopusoinnussa monen muunkin asian kanssa..

Esimerkiksi kosmologian tämän hetken merkittävin ristiriita havaintojen ja teorian välillä, joka liittyy maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen, on osoittautunut vaikeaksi ratkaista, koska kun korjaa ongelman joillekin havainnoille, niin samalla huonontaa muiden tilannetta. Tämä voi viitata siihen, että teoriassa on jotain pielessä odotettua pahemmin, tai sitten havainnoissa voi olla isompia puutteita kuin mitä nyt ymmärretään. Yhteistä asteroiditapaukseen on se, että avain edistykseen on tarkemmat havainnot.

---

Lilliputtien sääennusteet

21.1.2024 klo 23.23, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Toissapäivänä Joonas Nättilä Columbian yliopistosta puhui Helsingin yliopiston (minne hän pian siirtyy) astrofysiikan seminaarisarjassa neutronitähtien säästä.

Neutronitähdet ovat suosittu tutkimusaihe. Niiden törmäyksiä on havaittu gravitaatioaalloilla, ja niiden lähettämien radiosignaalien avulla on kenties löydetty uudenlaisia gravitaatioaaltoja. Lisäksi NICER-koe kansainvälisellä avaruusasemalla mittaa neutronitähtien lähettämiä röntgensäteitä entistä tarkemmin.

Neutronitähdet ovat maailmankaikkeuden tiheimpiä kappaleita (jos mustia aukkoja ei lueta kappaleiksi). Neutronitähti syntyy kun raskas tähti romahtaa, mutta tähden massa ei ole tarpeeksi iso, että aine valahtaisi mustaksi aukoksi. Neutronitähtien säde on kymmenisen kilometriä, tuhat kertaa pienempi kuin Maan. Niiden massa on paljon Maata isompi, suunnilleen yhden ja kahden Auringon massan väliltä. Neutronitähden tiheys on niin iso, että protonit ja elektronit sulautuvat yhteen ja muodostavat neutroneita, jotka pakkautuvat tiiviisti.

Yksinkertaistaen voi sanoa, että neutronitähti on jättimäinen atomiydin. Kuten olen aiemmin kirjoittanut, tämän kuvauksen tarkkuus on suunnilleen sama kuin jos sanoisi Maan olevan iso kivi. Tarkemmin katsottuna niin Maan kuin neutronitähden sisällä on erilaisia kerroksia, ja pinnalla on ohut kerros merta ja ilmakehää.

Neutronitähtien kohdalla englannin sanan atmosphere suomennos ilmakehä on hieman harhaanjohtava, koska tuo kerros ei muodostu ilmasta, vaan vapaiden ydinten ja elektronien plasmasta, jonka lämpötila on kymmenen miljoonaa astetta.

Neutronitähdet ovat voimakkaan gravitaation takia paljon Maata tasaisempia. Neutronitähdissä vuorten korkeus on korkeintaan millimetri, vain kymmenesmiljoonasosa säteestä. Maapallolla vuoret ovat tuhannesosan säteestä korkuisia nyppylöitä pinnalla, yhtä korkeita kuin mitä meri on syvä ja vain vähän ilmakehän paksuutta pienempiä. Siksi Maassa pinnanmuodoilla on säähän iso vaikutus, neutronitähdissä pieni.

Neutronitähtien meren syvyys on noin kymmenen metriä ja ilmakehän paksuus noin kymmenen senttiä. On hauskaa, miten neutronitähdissä äärimmäinen tiheys ja korkea lämpötila yhdistyvät arkiseen kokoon. Neutronitähden meren syvyys on noin tuhannesosa sen säteestä, eli se on yhtä ohut kerros suhteessa kokoon kuin Maapallollakin. Ilmakehä on sen sijaan suhteessa ohuempi kuin Maapallolla. Toisin kuin Maassa, missä meren ja ilman välinen raja on selvä, neutronitähdissä siirtymä merestä ilmaan on tasaisempi. Nättilä mainitsikin, että olisi kiinnostava tutkia meren ja ilmakehän pintaa tarkemmin.

Kun Maapalloa katsoo avaruudesta, näkee vain sen mitä ilmakehässä ja merenpinnalla (ja maanpinnalla, koska Maa ei ole kokonaan meren peitossa) tapahtuu, syvemmälle ei näe. Sama pätee neutronitähtiin. Siksi näiden ylimpien kerrosten ymmärtäminen on tärkeää.

Tähän Nättilä on pureutunut. Hänen tutkimusryhmänsä on laskenut tarkoilla simulaatioilla, miten neutronitähtien meret ja ilmakehät käyttäytyvät, eli tehnyt sääennusteita neutronitähdille. Maassa sääilmiöitä ajaa Auringosta tuleva säteily sekä maansisäiset tapahtumat kuten maanjäristykset ja tulivuoret.

Jos neutronitähti ei ole yksin, vaan sillä on yksi tai useampia tähtiä seuralaisena, niistä putoava aine aiheuttaa sääilmiöitä. Neutronitähden voimakkaan gravitaation takia aine iskeytyy pintaan isolla nopeudella, ja voi saada aikaan ydinräjähdyksen ja sitä seuraavan tsunamin pikkumeressä. Toisaalta pulsareilla on myös yksityinen elämänsä: niillä on tähdenjäristyksiä, joita on havaittu häiriöinä niiden muuten hyvin säntillisessä pyörimisessä.

Pyöriminen vaikuttaa sekin säähän niin Maassa kuin neutronitähdissä. Maapallon pyörimiseen liittyvän Coriolis-vaikutuksen takia ilmavirrat kääntyvät pohjoisella pallonpuoliskolla oikealle ja eteläisellä vasemmalle. Pallonpuoliskojen rajalla, päiväntasaajalla, Coriolis-vaikutus saa aikaan pyörremyrskyjä.

Neutronitähdet pyörivät paljon nopeammin kuin Maa, niiden päivän pituus vaihtelee sekunnin tuhannesosasta sekuntiin. Tämä johtuu siitä, että kun aine pakkautuu pienempään kokoon, sen pyörimisnopeus kasvaa. Tavallinen esimerkki tästä on taitoluistelija, joka kiihdyttää pyörimistään vetämällä raajat lähelle keskiruumista. (Ilmiötä voi kokeilla myös hyvin öljytyillä toimistotuoleilla, joskin on syytä olla varovainen.)

Tämän takia neutronitähdissä pyörremyrskyt voivat olla paljon vahvempia ja kestää kauemmin kuin Maassa. Aurinkokunnan muissa kappaleissa näkyy samanlaisia ilmiöitä, esimerkiksi Jupiterissa on jatkuvia pyörremyrskyjä, joiden keskinäinen vuorovaikutus muodostaa nauhoja. Nättilän ja kumpp. tulosten mukaan samaa tapahtuu myös joissakin neutronitähdissä, riippuen niiden pyörimisnopeudesta ja magneettikentästä.

Magneettikenttä onkin tärkeä tekijä, joka erottaa neutronitähtien sään Maan säästä. Maapallon magneettikenttä on niin heikko, että sillä ei ole suurta vaikutusta säähän. Neutronitähtien magneettikenttä on pienimmillään noin sata miljoonaa kertaa voimakkaampi kuin Maassa, ja isoimmillaan noin miljoona miljoonaa kertaa voimakkaampi.

Mitä nopeammin neutronitähti pyörii, sitä pienempiä ovat pyörteet. Nopeimmin pyörivissä neutronitähdissä pyörremyrskyjen säde on noin sata metriä, hitaimmissa se on tähden koon suuruusluokkaa, jolloin nauhoja ei synny.

Nättilän tutkimusryhmä on laskenut sääennusteita neutronitähdille, jotka pyörivät hitaasti tai nopeasti, ja joiden magneettikenttä on heikko tai vahva. Nättilä mainitsi, että olisi kiinnostava siirtyä säästä ilmaston tutkimiseen. Se vaatii paljon pidempiä simulaatioita eli enemmän tietokoneaikaa. Nyt simuloitujen tapahtumien kesto oli enimmillään sekuntien luokkaa, ilmaston saamiseksi selville pitäisi seurata neutronitähteä viikkojen ajan.

Yksi tärkeä havainto sääsimulaatioista on se, että nopeasti pyörivän neutronitähden nauhat lähettävät röntgensäteitä kirkkaammin kuin jos aine olisi tasaisesti jakautunut. Koska NICERin ja muiden kokeiden havaitsemaa röntgensäteiden kirkkautta käytetään neutronitähtien koon arvioimiseen, nauhojen takia neutronitähteä saattaa luulla todellista pienemmäksi, mikä voi johtaa virheellisiin päätelmiin sen sisärakenteesta ja siten kvarkkien vuorovaikutuksesta.

Tämä on esimerkki fysiikan eri haarojen merkityksestä toisilleen. Havaintojen ja teorian tarkalla ymmärtämisellä yhdellä alueella voi olla yllättävää merkitystä aivan muualla. Neutronitähtien sään ennustamisessa käytetään kokemusta Maan ja muiden Aurinkokunnan kappaleiden sään tutkimuksesta, mikä on kvarkeista kaukana.

Päivitys (22/01/24): Korjattu väite myrskyjen kestosta.

Jättiläisten tanssikuviot

14.12.2023 klo 21.30, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tämän vuoden odotetuin astrofysiikan ja kosmologian tapahtuma toteutui kesäkuun 29. päivä, kun viisi eri havaintoryhmää julkisti vahvoja todisteita uudenlaisista gravitaatioaalloista.

Vuonna 2020 tutkimusryhmä NANOGrav julkaisi tuloksia, jotka viittasivat gravitaatioaaltoihin. Kirjoitin silloin, että ”tarkkuus kasvaa nopeasti lisädatan myötä, ja jos NANOGrav on nähnyt gravitaatioaaltoja, sillä on niistä tilastollisesti kiistaton todiste ensi vuonna”. Huhuja tulosten julkaisemisesta aivan kohta liikkui pitkään.

Kuten tavallista, havaintojen analysoimisessa meni odotettua kauemmin. Eilen NANOGrav-ryhmän jäsen Kai Schmitz Münsterin yliopistosta, Zürichin teoreettisen fysiikan instituutista ja CERNistä kertoi eilen Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa teoreetikon näkökulman uusiin tuloksiin.

NANOGrav ja viisi muuta tutkimusryhmää ympäri maailmaa mittaavat pulsareista tulevia radioaaltoja. Pulsarit ovat neutronitähtiä, jotka pyörivät itsensä ympäri vinhaan, kymmenestä tuhanteen kertaa sekunnissa. Pulsarin pyöriessä sen lähettämän radiosignaalin suunta muuttuu. Maasta katsottuna signaali menee päälle ja pois monta kertaa sekunnissa. Pulsarien pyörimisnopeus on hyvin vakaa, joten niitä voi käyttää tarkkoina kelloina.

Kun Maapallon ja pulsarin välistä menee gravitaatioaalto, se muuttaa niiden etäisyyttä. Muutos on pieni, NANOGravin havaintojen tapauksessa noin sata metriä tuhansien valovuosien etäisyydessä. Tämä tarkoittaa sitä, että radioaallot tulevat Maapallolle vähän eri aikaan, eli pulsarin kello edistää tai jätättää.

Yksittäisen pulsarin tapauksessa ei voitaisi olla varmoja siitä, nikotteleeko pulsari vai tapahtuuko todella radioaalloille jotain niiden matkan aikana. Mutta kun tarkkaillaan kymmeniä pulsareita eri puolilla taivasta ja havaitaan kaikkien käynnin muuttuvan ennustetulla tavalla, voidaan sulkea pois se mahdollisuus, että kyse olisi pulsarien ongelmista.

Vuonna 2020 NANOGrav raportoi 12.5 vuoden ajan tehdyistä havainnoista 47 pulsarista. Niiden perusteella ryhmä ei pystynyt erottamaan sitä, muuttuvatko pulsarien signaalit taivaan eri puolilla siten kuin niiden pitäisi, jos syynä ovat gravitaatioaallot.

NANOGravin uudet tulokset perustuvat 15 vuoden havaintoihin 67 pulsarista. Lisäksi neljä kuudesta muusta koeryhmästä eri mantereilla julkisti tuloksensa samaan aikaan. Havaintoja on tehty Amerikkojen lisäksi Etelä-Afrikassa, Australiassa, Euroopassa ja Kiinassa. Eteläafrikkalainen ryhmä ei ole vielä julkistanut tuloksiaan.

Nyt NANOGrav näkee selvästi, että kellojen käynti eri puolilla taivasta on häiriintynyt juuri sellaisella tavalla kuin mitä gravitaatioaallot ennustavat. Lisäksi näiden häiriöiden aallonpituudet on saatu mitattua entistä tarkemmin. Muiden ryhmien tulokset ovat yhtäpitäviä NANOGravin tulosten kanssa.

Yhdenkään ryhmän havainnot yksinään eivät vielä ole tilastollisesti niin merkittäviä, että ne riittäisivät sen julistamiseen, että uusia gravitaatioaaltoja on löydetty. Todennäköisyys sille, että NANOGravin löytämä kuvio taivaalla ei johtuisikaan gravitaatioaallosta, vaan olisi pelkkää kohinaa, on jotain tuhannesosan ja kymmenestuhannesosan väliltä, riippuen siitä millaisia oletuksia tekee.

Hiukkasfysiikassa ja yhä enemmän myös kosmologiassa ja astrofysiikassa löytöön vaaditaan, että sattuman todennäköisyys on alle yksi miljoonasta. Tämä raja on melko mielivaltainen, ja toisaalta väitetty löytö voi olla väärin vaikka laskettu todennäköisyys olisi miten pieni, koska saattaa olla tekijöitä, joita ei ole otettu huomioon. Esimerkiksi OPERAn väite valoa nopeammista neutriinoista ja BICEP2:n väite inflaation gravitaatioaalloista osoittautui virheelliseksi, ja DAMAn väite pimeän aineen hiukkasista on luultavasti samaa sarjaa.

On kuitenkin edetty 1980-luvusta, jolloin hiukkasfyysikko Carlo Rubbia käytti omintakeisia tulkintoja siitä mikä on löytö, sekä ennen että jälkeen kuin sai Nobelin palkinnon.

NANOGrav ja muut ryhmät ovat olleet huolellisia analyysissään ja varovaisia väitteissään. Tämä lienee syynä siihen, että tulosten julkistus on venynyt. Luultavasti löydön kynnys ylittyy lähivuosina uusien havaintojen tai nyt tehtyjen havaintojen yhdistämisen myötä. Toisin kuin OPERAn tai BICEP2:n tapauksessa, tutkijoiden yhteisö ei nyt keskity siihen, onko signaali todellinen, vaan siihen mistä se on peräisin.

Yksi syy havainnon ottamiseen vakavasti on se, että sille on valmis teoreettinen selitys: toisiaan kiertävät jättimäiset mustat aukot galaksien keskustoissa.

Koeryhmä LIGO havaitsi ensimmäisen kerran vuonna 2015 toisiaan kiertävien, sulautuvien ja hetken yhdessä värisevien mustien aukkojen lähettämiä gravitaatioaaltoja. Löydöstä myönnettiin vuonna 2017 Nobelin palkinto. Sittemmin havainnoista on tullut rutiinia, ja niitä on tehty nyt noin sata. LIGOn (sittemmin mukaan on liittynyt myös italialainen Virgo ja japanilainen KAGRA) havaitsemien mustien aukkojen massa on muutamasta Auringon massasta hieman yli sataan Auringon massaan. Ne ovat luultavasti syntyneet tähtien romahduksessa.

Galaksien keskustassa on jättimäisiä mustia aukkoja, joiden massa on miljoonia tai miljardeja Auringon massoja. Jättiläisistä on paljon havaintoja –Linnunradan ja galaksin M87 aukoista jopa valokuvat- mutta ei olla varmoja siitä, miten ne ovat syntyneet ja kasvaneet.

Kun galaksit yhdistyvät, niiden keskustojen mustat aukot päätyvät kiertämään toisiaan kymmeniä miljoonia vuosia ennen yhteen sulautumista. Samalla ne lähettävät gravitaatioaaltoja. Maailmankaikkeus on täynnä näiden jättiläisparien tanssissa syntyviä aaltoja. Koska mustien aukkojen massa ja etäisyys toisistaan on isompi kuin LIGOn mustien aukkojen, gravitaatioaaltojen aallonpituus on pidempi, ja niiden taajuus on isompi: ne värähtelevät noin kerran vuodessa, minkä takia tarvitaan monta vuotta havaintoja ennen kuin niitä erottaa.

Lähteitä on niin paljon, että niitä on vaikea erottaa, joten niistä syntyy tasainen kumina, jossa on mukana eri suunnista tulevia ja hieman eri pituisia aaltoja. On kaksi syytä siihen, että ei ole varmoja siitä, että NANOGrav olisi havainnut tämän gravitaatioaaltotaustan.

Yksi on se, että aallot ovat hieman odotettua voimakkaampia, ja pitkän aallonpituuden aaltoja on mukana odotettua enemmän. Schmitz kuitenkin korosti sitä, että teoreettiset laskut ovat hyvin epävarmoja, koska mustien aukkojen liikkeitä galaksien keskustoissa ei ole vielä mallinnettu tarpeeksi huolellisesti. Tarvitaan parempien havaintojen lisäksi tarkempia teoreettisia ennusteita.

Toinen syy on se, että teoreetikoilla on liuta muita ehdokkaita.

Jos kvarkkien sitoutuminen protoneiksi ja neutroneiksi maailmankaikkeuden ollessa mikrosekunnin ikäinen on väkivaltaisempi tapahtuma kuin mitä hiukkasfysiikan Standardimalli ennustaa, siinä voi syntyä vahvoja gravitaatioaaltoja, ja niiden aallonpituus sopisi havaintoihin täydellisesti.

Vielä varhaisempina aikoina kosminen inflaatio synnyttää gravitaatioaaltoja. Jotta ne olisivat tarpeeksi voimakkaita oikealla aallonpituudella, inflaation pitäisi olla erilainen kuin mitä yksinkertaisimmissa malleissa – mutta monimutkaisten mallien tekeminen on helppoa. Toinen vaihtoehto on se, että inflaatio synnyttää isoja aineen tihentymiä, joista muodostuu mustia aukkoja, ja jotka samalla synnyttävät gravitaatioaaltoja. Jos näin olisi, näitä muinaisia mustia aukkoja pitäisi kohta näkyä. Myös kosmisia säikeitä ja muita hiukkasfysiikan eksoottisia mahdollisuuksia on ehdotettu aaltojen lähteiksi.

Monet näistä ideoista sopivat havaintoihin hyvin, mutta niidenkin ennusteissa on vielä epävarmuutta, kuten jättiläisten tanssiaskelissa.

Havaintojen parantuessa yritetään erottaa lähteiden jakaumaa taivaalla tai jopa yksittäisiä lähteitä. Varhaisen maailmankaikkeuden aallot tulevat joka puolelta tasaisesti, kun taas jättiläispareja on harvassa. Aaltojen aallonpituuden jakauman tarkempi syynääminen voi myös auttaa.

Vuonna 2037 avaruuteen laukaistava satelliittikolmikko LISA on suunniteltu näkemään gravitaatioaaltoja galaksien keskustan mustien aukkojen sulautumisesta. Sen ja NANOGravin havaintojen yhteensopivuus on aikanaan tärkeä testi NANOGravin havaintoje tulkinnalle.

Mutta ennen kuin LISAn dataa on saatavilla, NANOGrav ja muut ryhmät ovat luultavasti jo ylittäneet löydön kynnyksen. Varmaa on se, että pulsarit vetävät nyt puoleensa niin havaitsijoita kuin teoreettisia fyysikoita, ja ala siirtyy kohti astrofysiikan ja kosmologian keskustaa.

---

Tieteellisen julkaisemisen tulevaisuus

7.12.2023 klo 16.16, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin yliopiston Think Open -blogiin siitä, miten avoimet nettiarkistot ja overlay-lehdet voivat mullistaa tieteellisten artikkelien julkaisemisen ja säästää miljardeja euroja tiedeyhteisön rahaa. Kirjoitus alkaa näin:

”Budapestin avoimen julkaisemisen aloitteesta on kulunut yli 20 vuotta. Open access -liikkeen veteraani Paul Ayris University College Londonin kirjastosta on todennut, että aloite on epäonnistunut tärkeimmässä tavoitteessaan – tieteellisen julkaisemisen kustannusten vähentämisessä.

Epäonnistuminen johtuu siitä, että monissa open access -hankkeissa ei ole otettu lähtökohdaksi tiedeyhteisön tarpeita ja pyritty tyydyttämään niitä kustannustehokkaalla tavalla julkaisumarkkinoista riippumatta, toisin kuin Budapestin aloitteessa linjattiin.”

Henkien kätkemä

3.12.2023 klo 22.49, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kävin toissapäivänä katsomassa Ryhmäteatterin näytelmän Kööpenhamina. Michael Frayn käsikirjoittama teos sai ensi-iltansa vuonna 1998.

Tarinassa Niels Bohrin, hänen vaimonsa Margrethe Bohrin ja Werner Heisenbergin henget kohtaavat kuoleman jälkeen ja yrittävät selvittää mysteeriä siitä, miksi Heisenberg kävi tapaamassa Bohria syyskuussa 1941 Kööpenhaminassa. Hahmojen haamuluonnetta ei juuri hyödynnetä. Henkilöt voisivat yhtä hyvin olla elossa, paitsi että heidät on saatu kuoleman jälkeen käymään keskusteluita jollaisia heidän suhteisiinsa ei oikeasti kuulunut.

Vuonna 1941 Tanska oli Saksan miehityksen alla. Bohr ja Heisenberg olivat johtavia fyysikkoja, ja molemmilla oli ollut keskeinen osa kvanttimekaniikan löytämisessä. Bohr oli haavoittuvassa asemassa, koska hänen äitinsä vanhemmat olivat juutalaisia, joten natsien rotulakien mukaan hänkin oli juutalainen. Heisenberg oli 1920-luvulla työskennellyt ihailemansa Bohrin assistenttina Kööpenhaminassa, ja oli nyt mukana Saksan ydinaseohjelmassa.

Näytelmässä hahmot puivat tapaamista eri rooliensa kautta: miehittäjä ja miehityksen alla elävä, teoreettisen fysiikan isähahmo ja nuori tähti, kaksi vanhaa ystävää, kaksi fysiikasta eri mieltä olevaa tutkijaa, kaksi ydinaseiden kehittäjää. Niels Bohrin vaimon osaksi jää toimia kertojana ja totuuden torvena. Lisäksi Bohrin ja Heisenbergin näyttelijät avaavat kvanttifysiikkaa yleisölle sen varjolla, että hahmot selittävät niitä Margrethelle.

En ole varma paljonko fysiikkaa tuntemattomat saavat selonteosta irti. Minusta se oli paikoitellen puisevaa ja tarpeetonta, mutta joskus, kuten uraanin diffuusioyhtälöiden kohdalla, fysiikan ja hahmojen dynamiikka sopi hyvin yhteen.

Dialogilla yritetään myös nivoa vertauskuvallisesti yhteen fysiikan ilmiöitä, kuten kaksoisrakokoetta, ja inhimillistä elämää. Fysiikasta intoutuneiden elokuvien ja näytelmien helmasynti on yritys tarpeettomasti kuormittaa yleisöä fysiikan yksityiskohdilla ja latistaa niitä pinnallisilla vertauskuvilla.

Kööpenhaminassa fysiikan sisältö on selitetty (keskeiseksi vertauskuvaksi otettua Heisenbergin epämääräisyysperiaatetta lukuun ottamatta) aivan oikein, mutta (kuten Oppenheimer-elokuvassa) tässäkään näytelmässä hahmot eivät puhu fysiikasta kuin fyysikot. Turina fyysikkojen yhteisöstä laskettelu- ja pingiskilpailuineen kyllä kuulostaa aidoilta.

Fiktiossa missä käytetään oikeita ihmisiä on joskus epäselvää, miten paljon hahmojen on tarkoitus muistuttaa esikuviaan. Todellinen Heisenberg näytti harvoin tunteitaan, kun taas näytelmän hahmo repii sydänjuuriaan suomalaiselle teatterille tyypillisellä huutamisella ja muilla lavamaneereilla. Bohr tunnettiin hiljaisesta ja pohdiskelevasta puhetyylistä; vaikka näytelmän Bohr on erilainen, hänessä on samaa haparoivuutta ja älykkyyttä, jotka on roolisuorituksessa yhdistetty herkästi.

Kööpenhamina ei kuitenkaan ole fysiikan oppitunti eikä historiallinen tutkielma, vaan sepitelmä moraalista, vastuusta ja muistojen epävarmuudesta. Tarinan kantava jännite on ensimmäisellä puoliajalla avautuva mysteeri siitä, mitä Bohrin ja Heisenbergin välillä tapahtui syyskuussa 1941, miksi Bohr suuttui, mitä Heisenberg ajoi takaa ja mitä hän kätkee.

Näytelmässä käydään tapahtumia läpi eri näkökulmista. Taustalla on Heisenbergin sodan jälkeen kirjoittama kirje (lyhyt versio tässä, koko teksti täällä), jossa hän sanoi kysyneensä Bohrilta, onko fyysikoilla moraalista oikeutta työskennellä ydinenergian käytännön sovellusta parissa. Heisenberg väitti myös yrittäneensä sanoa Bohrille, että fyysikkojen kummallakaan puolella sotaa ei pitäisi valmistaa ydinaseita. Vuonna 1943 Bohr pakeni Ruotsiin ja päätyi Yhdysvaltoihin, missä hän osallistui ydinaseiden kehittämiseen.

Näytelmässä jätetään auki, estikö Heisenberg tarkoituksella Saksaa saamasta ydinasetta valmiiksi, vai eikö hän vain osannut ratkaista asiaan liittyviä teoreettisia ja käytännöllisiä ongelmia.

Reaktiona näytelmään Bohrin perikunta julkaisi vuonna 2002 sarjan kirjeitä Heisenbergille ja muita muistiinpanoja, joita Bohr oli luonnostellut vastauksena Heisenbergin julkiseksi tulleeseen kirjeeseen, mutta ei koskaan lähettänyt. Ne ovat luettavissa Niels Bohr -arkistossa. Bohr ensin kirjoitti olevansa ”suuresti hämmästynyt” siitä, miten Heisenbergin muisti pettää häntä. Myöhemmin Bohr kirjoitti ymmärtävänsä, että Heisenbergin voi olla vaikea muistaa, miten oli ajatellut ja ilmaissut itseään sodan eri vaiheissa, joiden aikana Heisenbergin vakaumus Saksan voitosta varmasti heikkeni ja lopulta päättyi varmuuteen tappiosta. Bohr sanoo sen sijaan painaneensa keskustelun tarkasti muistiin.

Bohrin mukaan Heisenberg oli varma Saksan voitosta ja sanoi, että hänen mielestään tanskalaisten oli typerää olla tekemättä yhteistyötä Saksan kanssa. Heisenberg myös kertoi tehneensä viimeiset kaksi vuotta työtä ydinaseen kehittämiseksi, ja sanoi että jos sota jatkuu tarpeeksi kauan, sen lopputulos päätetään ydinaseilla.

Tieteenhistorioitsija David C. Cassidy on kirjoittanut siitä, miten epätodennäköiseltä vaikuttaa että Heisenberg olisi etsinyt Bohrilta mitään eettistä tukea tai ehdottanut, että hän ja Bohr estäisivät ydinaseiden valmistamisen. Heisenberg teki syyskuun 1941 Kööpenhaminan matkansa lisäksi ainakin kymmenen samanlaista retkeä Saksan miehittämiin maihin Saksan kulttuuripropagandatoimiston virallisena edustajana.

Heisenberg ei ollut natsi, mutta kirjoitustensa perusteella hän mitä ilmeisemmin uskoi välittämäänsä propagandaviestiin, jonka mukaan demokratia oli liian heikko, ja vaihtoehtoina oli vain Neuvostoliitto ja kommunismi tai Saksa ja natsismi, ja natsismi oli pienempi paha. Heisenberg ei tiettävästi nähnyt itseään moraalisena toimijana. Vuonna 1942 hän kirjoitti seuraavasti:

”Meillä ei ole enää jäljellä mitään muuta kuin keskittyminen perusasioihin: meidän pitää tunnollisesti täyttää ne velvollisuudet ja tehtävät, joita elämä meille asettaa, kysymättä liian paljon miksi tai mistä syystä … Ja sitten odotamme mitä ikinä tapahtuukaan … todellisuus muuttaa itseään ilman meidän vaikutustamme.”

Näytelmä osuu lähemmäs todellisuutta kääntäessään valokeilan kohti Bohria: hän osallistui Manhattan-projektiin, jonka valmistamilla ydinaseilla tuhottiin kaksi kaupunkia ja tapettiin yli satatuhatta ihmistä. Näytelmässä Bohr ensin vähättelee osuuttaan ja sitten myöntää merkityksensä ydinpommiprojektissa, mutta ei halua käsitellä asiaa eikä koe samanlaista tarvetta oikeuttaa tekojaan kuin Heisenberg, jonka ydinaseprojekti ei onnistunut.

Näytelmässä esitetään kammottavana mahdollisuutena, että Heisenberg olisikin Bohrilta saanut keskeisen oivalluksen, ja ydinpommi olisi pudotettu johonkin eurooppalaiseen kaupunkiin japanilaisen sijaan. (Ydintuhoa enteilevä rahina on hieno äänitausta.) Tässä kohdin tuli outo tunne siitä, että haluavatko näytelmän tekijät sanoa, että eurooppalaisen kaupungin tuhoaminen olisi pahempi asia kuin japanilaisen.

Näytelmä yrittää tuoda isot kysymykset ihmisten tasolle ja tavoittelee inhimillistä koskettavuutta muun muassa vetämällä tarinaan mukaan Bohrin pojan hukkumisen onnettomuudessa vuonna 1934. Samalla se kuitenkin vaalii suurmieshistoriaa, missä yksi nerojen keskustelu olisi saattanut muuttaa maailman kohtalon.

Tekijät ovat projisoineet Heisenbergin hahmoon moraalisia kysymyksiä tavalla, joka ei vastaa historiallisia tapahtumia, ja näytelmän henkien väittely ennemmin piilottaa kuin valaisee ajankohtaista moraalisen ajattelun köyhyyttä. Todellisuudessa iso lahjakkuus fysiikassa tai korkea koulutustaso ei tarkoita sitä, että henkilö pohtisi eettisiä ongelmia enemmän tai oivaltavammin. Sellaiset hahmot kuten Bertrand Russell, Albert Einstein ja Joseph Rotblat muistetaan siksi, että he olivat poikkeuksia. Bohr kyllä ymmärsi ydinaseiden poliittisen ja moraalisen merkityksen varhain, ja toimi niiden saattamiseksi kansainväliseen valvontaan.

Ennemminkin 1900- ja 2000-luvun tragedia on se, missä määrin tieteilijöiltä puuttuu itsenäinen moraalinen ajattelu, ja miten heidän moraalinen pohdintansa suuntautuu yhteisön normien noudattamiseen tekojen seurausten sijaan.

Nykyään akateeminen tutkimus ja asekehitys ovat erillään. Vastaavat kysymykset ovat Suomessa tutkimuksen osalta oleellisia lähinnä valtionyritys Patrian työntekijöille, esimerkiksi kun sen puoliksi omistama yritys Nammo valmistaa aseita Israelille, joka suorittaa kansanmurhaa Gazassa.

Heisenberg ei kannattanut natseja, mutta hän katsoi tehtäväkseen hoitaa työnsä ja varmistaa Saksan tiedeyhteisön menestys politiikasta riippumatta, vaikka se tarkoitti ydinaseiden valmistamista. Tällainen moraalinen näköalattomuus näkyy Helsingin yliopiston ja muiden suomalaisten yliopistojen johdossa. Ne pitävät tehtävänään manageroida yliopistoa tieteelliseen menestykseen, muokaten moraaliset lausuntonsa tai hiljaisuutensa sellaisiksi mitä ajattelevat vallitsevan ilmapiirin vaativan.

Helsingin yliopisto esimerkiksi kieltäytyy vaatimasta tappamisen lopettamista Gazassa (toisin kuin esimerkiksi Ryhmäteatteri ja Kansallisteatteri), eikä katkaise suhteita apartheidia tukeviin israelilaisiin yliopistoihin, vaikka se Ukrainan tapauksessa osoitti, että kansainvälisen oikeuden rikkomukset ja hyökkäykset yliopistoihin muualla kuuluvat yliopiston toimipiiriin. Nyt yliopisto ryhtyy toimiin vain estääkseen kansanmurhaa vastustavia mielenilmauksia.

Ryhmäteatteri sen sijaan soveltaa moraalisia pohdintoja käytäntöön lahjoittamalla perjantain 8.12. esityksen lipputulot lyhentämättöminä Lääkärit Ilman Rajoja -järjestölle tukeakseen sen toimintaa Gazassa, missä lääkkeistä ja tarvikkeista on pulaa, sairaalat ovat äärimmilleen kuormittuneita ja potilaita tulee koko ajan lisää.

Näytöksiä on vielä 7., 8. ja 9. joulukuuta; torstain 7. päivän näytökseen on paikkoja jäljellä.

Onnellinen unohdus

29.11.2023 klo 17.35, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kun luennoin kurssia Fysiikkaa runoilijoille, yksi asia joka vaikuttaa joskus olevan vieras luonnontieteen ulkopuolelta tuleville opiskelijoille on fysiikan historiattomuus. Tämä ei viittaa tutkimuksen tekemiseen, vaan sen sisältöön.

Fysiikassa jokainen paikkansapitävä teoria sisältää edeltäjänsä – tai tarkemmin sanottuna kaiken mikä edeltäjissä on totta. Esimerkiksi suppea suhteellisuusteoria 1900-luvun alussa korvasi 1600-luvulta periytyvän klassisen mekaniikan. Suppea suhteellisuusteoria käyttäytyy melkein kuin klassinen mekaniikka kun nopeudet ovat paljon valonnopeutta pienempiä. Suppea suhteellisuusteoria ei sisällä klassisen mekaniikan niitä osia, joihin liittyy matkailu ylivalonnopeudella. Sen sijaan se osoittaa, että ne eivät kuvaa todellisuutta, eli ne ylittävät klassisen mekaniikan pätevyysalueen.

Periaatteessa klassista mekaniikkaa tarvitsisi enää opetella, vaan fysiikan opinnot voisi aloittaa suoraan suppeasta tai yleisestä suhteellisuusteoriasta. Käytännössä näin ei tehdä, koska klassisen mekaniikan pätevyysalue on niin laaja, että on hyödyllistä tutustua sen yksinkertaisempaan rakenteeseen, joka on myös lähempänä arkijärkeämme kuin suhteellisuusteoria ja siksi helpompi oppia. Toisaalta klassista mekaniikkaa on laajennettu suhteellisuusteoriassa ja kvanttifysiikassa eri suuntiin, eikä vielä tiedetä miten langat saadaan punottua yhteen.

Historiattomuuden takia fysiikkaa ei opetella vanhoista teksteistä, esimerkiksi suhteellisuusteorian tutkijat eivät yleensä lue vaikkapa Albert Einsteinin artikkeleita. Ihmistieteissä tilanne on erilainen, koska tutkimuskohteena ei ole vain maailma, vaan myös ihmisten käsitykset siitä. Niinpä uudet teoriat täydentävät ja laajentavat mutta eivät yleensä korvaa edeltäjiään, ja kirjallisuuden kasvu on rikkautta.

Fysiikan historiattomuus liittyy siihen, että kun teoria osoittautuu vääräksi, siihen ei tarvitse enää palata. Esimerkiksi teoriat eetteristä on jo unohdettu, koska se on osoittautunut olemattomaksi ja tarpeettomaksi. Se, että fyysikot eivät juuri lue teorioiden kehittäjien tekstejä auttaa heitä kehittämään selvemmän näkökulman teorioiden sisältöön.

Esimerkiksi Isaac Newtonin muotoileman klassisen mekaniikan yksi keskeinen piirre on se, että maailma on deterministinen: nykytila määrää tulevaisuuden ja menneisyyden yksikäsitteisesti. Tällaista maailmaa verrattiin täydelliseen kellokoneistoon jo Newtonin aikaan 1600-1700-luvulla, mutta Newton itse voimakkaasti vastusti tätä teoriansa suoraviivaista seurausta.

Newton hahmotti myös, että klassisen mekaniikan mukaan Aurinkokunta ei ole stabiili, vaan planeettojen radat voivat muuttua ajan myötä. Hän ratkaisi asian toteamalla, että Jumala puuttuu asiaan ja pistää planeetat takaisin radoilleen.

Samalla tapaa Einstein vastusti ajatusta siitä, että maailmankaikkeus laajenee. Hänen vuonna 1915 löytämänsä yleisen suhteellisuusteorian ytimessä on se, miten avaruus muuttuu ajassa. Sen mukaan maailmankaikkeus yleensä joko supistuu tai laajenee. Einstein ei ollut valmis hyväksymään tätä, vaan ennemmin muutti vuonna 1917 teoriaa saadakseen aikaan ikuisen ja muuttumattoman maailmankaikkeuden.

Einsteinin malli jouti romukoppaan, kun maailmankaikkeuden laajeneminen havaittiin vuosina 1927-29. Laajenevan maailmankaikkeuden isänä tunnetuksi tullut Edwin Hubble, joka teki keskeisiä havaintoja asiasta, ei tosin koskaan ollut vakuuttunut siitä, että maailmankaikkeus todella laajenee.

Suuri yleisö muistaa kvanttimekaniikan tienraivaaja Erwin Schrödingerin ajatuskokeesta, missä kissa laatikossa on samaan aikaan elossa ja kuollut. Schrödingerin tarkoituksena oli osoittaa, että kvanttimekaniikka on puutteellinen, koska todellisuus ei voi olla niin outo. Nyt asia nähdään toisin päin, eli koe osoittaa miten outo todellisuus on.

Listaa voisi jatkaa, mutta poiminnat jo havainnollistavat sitä, että perustavanlaatuisella tavalla vääriä käsityksiä teorioista ei ole vain kehnoilla tutkijoille eivätkä ne koske vain pikkuseikkoja. Tieteenalojensa kärkihahmot ovat usein olleet väärässä itse tekemiinsä läpimurtoihin liittyvistä keskeisistä kysymyksistä.

Nämä kysymykset eivät aina ole olleet vaikeita siksi että ne olisivat niin monimutkaisia, vaan sen takia, että niihin liittyi edeltävästä teoriasta jääneitä ennakkoluuloja siitä millainen maailman pitää olla.

Uusien teorioiden löytäjillä on toinen jalka menneessä. Teorian myöhemmin omaksuvat eivät ole enää sidoksissa hylättyihin ideoihin, varsinkin jos havainnot ovat ne huonoiksi osoittaneet, joten heidän on helpompi ottaa teorian viesti vastaan.

Fyysikkojen pinnallinen käsitys alansa historiasta eristää heitä inhimillisiltä virheiltä ja lyhentää auktoriteettihahmojen arvostuksesta johtuvien ajattelun rajoitusten elinaikaa. Tekijöiden näkemyksillä ei ole merkitystä, koska tutkimuksen aiheena on luonto, ei ihmisten mielipiteet siitä.

Ankaruus teorioita kohtaan myös vapauttaa fyysikot esittämään kaikenlaisia ideoita, koska väärät voi onnellisesti unohtaa. Tämä toisinaan hämmentää ulkopuolisia, kun tiedeuutisoinnissa ei tehdä selvää eroa sen välillä, mikä on (mahdollisesti jo vääräksi tiedettyä) villiä spekulointia, mikä luotettavaa mutta epävarmaa ja mikä järkevän epäilyn tuolla puolen.

Tutkimuksen tekeminen, toisin kuin teorioiden sisältö, ei silti ole historiatonta. Menneisyys vaikuttaa siihen, millaisia tutkimuskysymyksiä valitaan ja miten niitä lähestytään. Tässä suhteessa ei kenties olisi pahitteeksi, jos tutkijat tietäisivät paremmin, millaisia harha-askelia on otettu. On hyödyllistä ainakin tietää, että suuri joukko arvostettuja tutkijoita voi ajautua umpikujaan ja puuhailla siellä vuosikymmeniä, kuten eetterin tapauksessa kävi.

Tieteen historia ei toistu samanlaisena, eikä ole yhtä tieteellistä metodia joka veisi perille, joten aiempia tapahtumia ei voi soveltaa sellaisenaan. Mutta jos muistaa vain oikean reitin, on vaikeampi ymmärtää miten eksyksiin voi joutua.

---

Muinainen ja tuleva kaarevuus

17.11.2023 klo 19.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Keskiviikkona John F. Donoghue Massachusettsin yliopistosta Yhdysvalloista puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologian seminaarisarjassa. Aiheena oli kvanttigravitaatio ja taaksepäin kulkeminen ajassa.

Gravitaation ja kvanttifysiikan yhdistämistä on tutkittu 1930-luvulta asti, ja aiheesta on julkaistu varmaan kymmeniä tuhansia tieteellisiä artikkeleita. Teoreettisessa fysiikassa erotellaan kaksi lähestymistapaa: bottom-up ja top-down, eli pohjalta ylös tai huipulta alas. Kvanttigravitaatiossa on käytetty molempia.

Top-down tarkoittaa sitä, että lähdetään joistakin uusista ja kattavista periaatteista, ja selvitetään, miten ne saadaan yhdistettyä tunnettuun fysiikkaan ja miten ne laajentavat sitä. Yleinen suhteellisuusteoria löydettiin tällä tavalla. Lähtökohtana oli ajatus gravitaatiosta aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymänä, ja sen täsmällisestä matemaattisesta toteutuksesta seurasi kattavat lait, joilla on selitetty valtava määrä ilmiöitä. Kvanttigravitaatiossa top-down-lähestymistavan tunnetuin edustaja on säieteoria. Siinä yritetään rakentaa kertaheitolla kaiken teoriaa käyttäen rakennuspalikoina säikeitä, eli yksiulotteisia kappaleita.

Toinen vaihtoehto on se, että edetään siitä mitä nyt tiedetään vain vähän kerrallaan, luottaen siihen, että vankka ymmärrys joka askeleella auttaa hahmottamaan paremmin, miten asiat ovat. Donoghue on kvanttigravitaation bottom-up-reitin konkari. Hän on tullut tunnetuksi tarkkojen ja huolellisten laskujen tekemisestä ja sen varmistamisesta, että kaikki on ymmärretty joka askeleella.

Yleisen suhteellisuusteorian laajentaminen on nyt vienyt hänet hieman poikkeuksellisen aiheen äärelle, pohtimaan aikamatkailua – tai tarkemmin sanottuna sitä, meneekö kaikki samaan suuntaan ajassa.

Kun yleistä suhteellisuusteoriaa yleistää kvanttiteoriaksi, niin mukaan tulee uudenlaisia vuorovaikutuksia aika-avaruuden ja aineen välille. Kyse on Murray Gell-Manin ”totalitaristiseksi periaatteeksi” nimeämästä kvanttiteorioiden piirteestä, jonka mukaan niissä esiintyy aina kaikki vuorovaikutukset jotka teorian rakenne vain sallii.

Yleisen suhteellisuusteorian rakenne määrää tarkkaan sen, miten aine ja aika-avaruus vuorovaikuttavat matalilla energioilla. Mutta kun mennään korkeisiin energioihin ja halutaan kuvata vaikkapa maailmankaikkeuden alkuhetkiä tai mustan aukon keskustaa, niin mahdollisia aika-avaruuden kaarevuuteen liittyviä vuorovaikutuksia ja niitä vastaavia uusia hiukkasia onkin paljon. Suurin osa niistä johtaa siihen, että aine ja aika-avaruus eivät ole vakaita, vaan pirstoutuvat hyvin nopeasti. Tämä on iso ongelma, koska havaitsemamme aine ja aika-avaruus ovat kohtuullisen vakaita.

Donoghue oivalsi, että katastrofaaliseen epävakauteen johtavat hiukkaset ovatkin vaarattomia jos ne kulkevat ajassa taaksepäin eivätkä eteenpäin. Ilmiö on tunnettu fysiikassa jo 1960-luvulta asti, uutta on sen käyttäminen kvanttigravitaation ongelmien ratkaisemiseen.

Donoghue nimesi tällaiset hiukkaset Merlin-moodeiksi. Nimi viittaa T.H. Whiten kirjaan Muinainen ja tuleva kuningas, missä velho Merlin kulkee eri suuntaan ajassa kuin muut: hän nuorenee kun muut vanhenevat ja muistaa tulevaisuuden.

Klassisen fysiikan mukaan voi periaatteessa matkata kumpaankin suuntaan ajassa. Esimerkiksi klassista sähkömagnetismia kuvaavilla yhtälöillä on kahdenlaisia aaltoratkaisuja: sellaisia, missä sähkömagneettiset aallot kulkevat eteenpäin ajassa, ja sellaisia, missä ne kulkevat taaksepäin ajassa. Emme ole koskaan havainnet jälkimmäisiä, kaikkien havaintojen mukaan viestit kulkevat vain yhteen aikasuuntaan. Klassinen fysiikka ei selitä miksi näin on: nämä ratkaisut vain jätetään pois laskuista, koska niitä ei ole havaittu.

Kuten Donoghue toteaa, on sopimuskysymys, kumpaan aikasuuntaan menevien viestien sanotaan kulkevan eteen- tai taaksepäin. Jos kaikki menevät samaan suuntaan, ei ole mitään vertailukohtaa. Jos osa -kuten Merlin- vanhenee eri suuntaan kuin muut, voi yhtä lailla sanoa, että Merlinin mielestä me menemme taaksepäin ajassa ja meidän mielestämme hän menee taaksepäin ajassa. Mutta kummankin mielestä joku liikkuu taaksepäin ajassa, ja on siis mahdollista vaikuttaa menneisyyteen. Tämä on pahassa ristiriidassa sekä arkikokemuksen että tarkkojen hiukkasfysiikan ja kosmologian havaintojen kanssa.

Donoghue totesi, että kvanttifysiikka ratkaisee asian. Teorian muotoilussa pitää valita yksi aikasuunta, mihin hiukkaset menevät, mikä on hyvin tunnettua. Suunnan voi periaatteessa valita eri tavalla eri hiukkasille.

Jos ajassa (meidän mielestämme!) taaksepäin menevät hiukkaset ovat hyvin lyhytikäisiä, niin että ne hajoavat nopeasti hiukkasiksi jotka kulkevat eteenpäin ajassa, niin tämä ei ehkä ole ristiriidassa havaintojen kanssa. Tällöin tulevaisuus ja menneisyys puhuvat koko ajan toisilleen, mutta vain lähiaikojen tapahtumista. Jos Merlin elää vain sekunnin murto-osan, hän ei muista tulevaisuutta pitkältä ajalta eikä ehdi kertoa siitä.

Ideaa voi testata hiukkaskiihdyttimissä, missä hiukkastörmäyksissä syntyy uusia hiukkasia. Signaalina on hiukkanen, joka liikkuu ennen törmäystä, missä se syntyy. Tällaisia jälkiä on etsittykin, mutta mitään ei ole löytynyt. Kvanttigravitaation suhteen tämä ei ole yllättävää, koska siihen liittyvien uusien hiukkasen energioiden odotetaan olevan aivan liian isoja ja elinikien lyhyitä, että niitä nähtäisiin kiihdyttimissä.

Toinen mielenkiintoinen mahdollisuus on se, että viestimisellä edestakaisin ajassa on voinut olla kiinnostavia seurauksia silloin kun maailmankaikkeus oli vielä niin nuori, että hiukkaset ehtivät kulkea taaksepäin melkein ajan alkuun asti. Kosmisesta inflaatiosta meillä on havaintoja hyvin varhaisista ajoista.

Donoghue on toistaiseksi tutkinut malleja, joissa on samoja piirteitä kuin yleisessä suhteellisuusteoriassa, mutta jotka ovat yksinkertaisempia. On kiinnostava nähdä, mitä käy kun ideaa sovelletaan monimutkaisempaan ja realistisempaan tapaukseen, ja voiko sen toteuttaa ristiriidattomasti ja kattavasti. Donoghuen työ on joka tapauksessa esimerkki siitä, miten tunnettujen asioiden läheltä voi löytyä uutuuksia. Se myös muistuttaa, että aika on ulottuvuuksista vähiten ymmärretty.

---

Viestinviejä naulavuoteella

1.11.2023 klo 15.39, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 14.11. kello 18 Kirkkonummen Komeetan tilaisuudessa Kirkkonummen pääkirjasto Fyyrin (Kirkkotori 1) Mörne-salissa otsikolla ”Valo maailmankaikkeudessa: viestinviejä naulavuoteella?”. Aiheena on valo kosmologiassa ja sen matka halki aika-avaruuden. Kerron myös omasta tutkimuksestani, jota käsittelin tässä merkinnässä. Esitelmä oli tarkoitus pitää helmikuussa, mutta se peruttiin koska sairastuin. Esitelmään on vapaa pääsy.

---

Viidakon lait

30.10.2023 klo 00.08, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Subir Sarkarin 70-vuotiskonferenssista kirjoittamani merkinnän kommenteissa kysyttiin miksi saman ilmiön selittämiseen löytyy niin monta teoriaa – kysyjän mielestä tämä oli ristiriidassa sen kanssa, että fysiikkaa pidetään eksaktina tieteenä.

Tämä on yleinen hämmennyksen aihe, ja populaarien tiedeuutisten lukeminen usein vain sekoittaa päätä entisestään. (Tiedeuutisoinnin ongelmista enemmän täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä.)

Fysiikan tutkimuksen ytimessä ovat sekä vapaus heittää ilmaan kaikenlaisia ideoita vailla kunnon perusteita että vastuu arvioida niitä kriittisesti ja täsmällisesti. Se on luovaa työtä niin kokeiden kuin teorian osalta.

Kokeet vaativat huolellisempaa suunnittelua ja vakavampaa tarkastelua kuin teoreettisen idean esittäminen – ainakin hiukkasfysiikassa ja kosmologiassa, missä halpa koe maksaa miljoonan ja kallis kymmenen miljardia.

Joskus ei ole selvää, mitä kannattaa mitata, eikä oikean havaintokohteen valitsemiselle ole selvää sääntöä. Hyvä osoitus tästä on tapaukset, missä kokeet ovat löytäneet jotain aivan muuta kuin mitä lähtivät etsimään. Yksi esimerkki on SuperKamiokande, joka jahtasi suurta yhtenäisteoriaa ja löysi neutriinoiden massat, mistä on myönnetty kaksi Nobelin palkintoa.

Teoreetikoilla on vähemmän rajoitteita, ja he esittävät kaikenlaisia ideoita suuntaan ja toiseen. Luovuus ja kuri tukevat toisiaan: malleja voi keksiä minkälaisia tahansa, mutta ne pitää ilmaista täsmällisesti ja kytkeä huolella siihen mitä jo tiedetään. Matematiikka antaa luovuutta ruokkivia rajoituksia.

Kosmologiassa yhä suurempi osa teoreettisesta työstä on kehittyneiden menetelmien huolellista soveltamista tunnettuihin teorioihin, kuten edellisessä merkinnässä mainitsin. Mutta tehdään myös paljon tutkimusta, missä ehdotetaan kaikenlaista uutta, joskus vakaammalla ja joskus huterammalla pohjalla. Toisinaan kyse on vain tunnettujen palikoiden laittamisesta eri järjestykseen, mutta joskus keksitään palikoita joita kukaan ei ole käyttänyt.

Luovuuden merkitys näkyy siinä, että parhaat ideat tuntuvat usein jälkikäteen ilmeisiltä, vaikka niiden löytäminen oli vaikeaa. Suurin osa ehdotuksista painuu unholaan, ja on tavallista, että tutkijat sanovat toisten työn olevan potaskaa heti kun se on julkaistu – joskus oikein ja joskus väärin perustein.

Ulkopuoliselle tämä rikas tutkimusympäristö voi näyttäytyä sekavana viidakkona. Alan tutkijoille sen kerrokset ovat kuitenkin selvät.

On vakaa maaperä asioita, jotka ovat järkevän epäilyn ulkopuolella. Esimerkiksi se, että maailmankaikkeus laajenee ja että atomit ovat syntyneet maailmankaikkeuden ollessa noin 400 000 vuoden ikäinen.

Sitten on vankkaa kasvustoa, eli verkosto asioita, joista epävarmuutemme on pieni, mutta joita voi vielä epäillä, ja jotka varmentuvat koko ajan. Esimerkiksi se, että suurin osa aineesta on pimeää ainetta ja että rakenteen siemenet ovat syntyneet kosmisessa inflaatiossa.

Lopuksi on paljon rönsyilyä, eli vähemmän tai enemmän villiä spekulaatiota luonnonlaeista. Suurin osa ehdotuksista on ristiriidassa keskenään, lähes kaikki ovat väärin, ja ne karsiutuvat pois havaintojen, teorian ja muotivirtausten edetessä. Esimerkkejä ovat se, että pimeä aine koostuu mustista aukoista, tai että se koostuu aksioneista, tai että se koostuu steriileistä neutriinoista; tai että on olemassa toinen maailmankaikkeus, jossa aika kulkee taaksepäin.

Alaa tuntematta on vaikea sanoa, mihin kohtaan yksittäinen tieteellinen artikkeli sijoittuu. Niinpä tiedeuutisointi, missä poimitaan (usein tutkijoiden lehdistötiedotteesta) yksi artikkeli ja esitetään se läpimurtona on yleensä harhaanjohtavaa. Paremmissa tiedejulkaisuissa kuten Quanta toimittajat tuntevat viidakkoa ja puhuvat eri tutkijoille selvittäessään miten ehdotus kytkeytyy tieteen kenttään.

Tieteen rönsyjen seuraaminen voi olla vaikeaa, mutta isompi ongelma on se, että ihmisten tuntemus jopa fysiikan vankasta maaperästä on hutera, osittain kouluopetuksen ongelmien takia. Tätä yritän pieneltä osalta paikata luennoimalla kurssia Fysiikkaa runoilijoille, joka alkaa taas nyt maanantaina 30. lokakuuta.