Kosmokseen kirjoitettua

Hirvittäviä hyppäyksiä

16.12.2013 klo 02.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Huomasin YLEltä uutisen jonka mukaan ”Universumi voi romahtaa koska tahansa – tai sitten ei”. Jutun mukaan on mahdollista, että ”Muutos puristaisi kaiken aineen pieneksi supertiheäksi palloksi. Samalla maailmankaikkeus nykymuodossaan lakkaisi olemasta”. Tiedeuutisissa on tavallista törmätä artikkeleihin, joiden ihmeellisyydelle vetää vertoja vain niiden perättömyys, joten en ajatellut kirjoittaa aiheesta enempää. Kun kuitenkin tulin katsoneeksi asiaa tarkemmin, huomasin että taustalla onkin ihan mielenkiintoista tutkimusta.

YLE oli saanut jutun Tähdet ja avaruus –lehdestä, joka puolestaan oli poiminut sen sivustolta SpaceDaily.com. Kun aihe on vaikea eivätkä toimittajat ole käsittelemiensä asioiden asiantuntijoita, niin kertomus voisi helposti muuttua yhä uskomattomammaksi joka askeleella. Itse asiassa YLEn uutinen on kuitenkin kohtuullinen tiivistelmä SpaceDaily.comin artikkelista. Uutisen poskettomat väitteet ovat tosin kaukana siitä, missä itse tieteellisessä tutkimuksessa on kyse, mutta ne eivät ole SpaceDaily.comin toimittajan keksintöä. Kyseisen sivuston ”uutinen” on nimittäin sanatarkka kopio Eteläisen Tanskan yliopiston lehdistötiedotteesta.

Kuten olen aiemmin sanonut, toimittajia voi syyttää siitä, että he suhtautuvat tutkijoiden lehdistötiedotteisiin kritiikittömästi, mutta suurin osa paisuttelusta on yleensä tutkijoiden itsensä tekosia. (Esimerkkejä voi katsastaa Peter Woitin blogista Not Even Wrong.)

Tutkimus sinänsä on kiinnostava, se koskee Higgsin kenttää. Hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin kenttä täyttää koko avaruuden. Sitä voi verrata sähkökenttään, paitsi että sähkökentällä on voimakkuuden lisäksi suunta, Higgsin kentällä on vain voimakkuus. Higgsin kenttä on tällä hetkellä kaikkialla havaitussa maailmankaikkeudessa yhtä voimakas. Higgsin kentän voimakkuus ilmenee nykymaailmankaikkeudessa lähinnä siten, että tunnetut alkeishiukkaset saavat massansa vuorovaikuttamalla kentän kanssa. (Poikkeuksena Higgsin hiukkanen itse sekä mahdollisesti neutriinot, joiden massojen alkuperästä ei ole varmuutta.) Mitä voimakkaampi Higgsin kenttä on ja mitä vahvemmin hiukkanen vuorovaikuttaa sen kanssa, sitä suurempi hiukkasen massa on.

Varhaisessa maailmankaikkeudessa Higgsin kentän voimakkuus on ollut erilainen kuin nykyään, ja on mahdollista, että se muuttuu tulevaisuudessa. Kentän käytöksen määrää se, miten se vuorovaikuttaa itsensä ja muihin hiukkasiin liittyvien kenttien kanssa. Nämä vuorovaikutukset ovat niin monimutkaisia, että niitä ei pystytä laskemaan täysin tarkasti, teoriaa pitää aina yksinkertaistaa jotenkin. Oleg Antipinin ja muiden tutkimuksessa, joka on toiminut lehdistötiedotteen pohjana, esitetään uudenlainen tapa yksinkertaistaa vuorovaikutusten laskemista. Kysymys on siitä, mitä osia teoriasta otetaan mukaan ja mitä jätetään pois, ja Antipin ja kollegat esittävät hieman erilaista kirjanpitoa kuin mitä yleensä on käytetty.

Tutkijat soveltavat artikkelissaan uutta menetelmää sen laskemiseen, miten Higgsin kenttä käyttäytyy, kun sen voimakkuus on hyvin suuri. Nykypäivänä Higgsin kenttä näyttää olevan stabiili. Tämä tarkoittaa sitä, että jos kentän voimakkuus muuttuu vähän, niin se palaa takaisin vanhaan arvoonsa. Kenttä lepää rauhassa kuin kivi kaivon pohjalla. On mahdollista, että jos kenttä olisi hyvin voimakas, niin se ei olisi enää stabiili, vaan se voimakkuus rupeaisi kasvamaan rajatta. Toisaalta voi olla, että hyvin voimakas kenttä olisi vielä stabiilimpi kuin nykyinen. Kummassakin tapauksessa kenttä saattaa hypätä hirvittävän ison välin hyvin suurelle arvolle, kuin kivi kaivosta viereisen syvemmän kaivon pohjalle, tai pohjattomaan kuiluun. (Kun asian ilmaisee näin, niin se kuulostaa kummalliselta, mutta kvanttimekaniikassa tällaista tunneloitumista tosiaan tapahtuu – aiheesta kenties myöhemmin lisää.)

Mitä merkitystä tällä sitten on? Jos Higgsin kentän arvo kasvaisi rajatta, niin siihen liittyvästä energiatiheydestä tulisi hyvin negatiivinen, mikä johtaisi maailmankaikkeuden romahtamiseen. Toisekseen, jos Higgsin kenttä on vastuussa varhaisen maailmankaikkeuden inflaationa tunnetusta tapahtumasta, niin siihen liittyvä kentän voimakkuus on hyvin suuri, ja kentän käytös pitää tuntea tarkkaan. 

Higgsin kentän stabiilius riippuu sen massasta ja vuorovaikutuksesta itsensä ja muiden hiukkasten kanssa. Standardimallissa Higgsin kenttä on suurilla voimakkuuksilla niin lähellä stabiilin ja epästabiilin rajaa, että tämänhetkisen mittaustarkkuuden rajoissa ei voida sanoa, kummalla puolella se on. Laskuihin vaikuttavat tunnettujen hiukkasten lisäksi kaikki muut hiukkaset. Lienee olemassa ainakin pimeän aineen hiukkanen, ja luultavasti useita muitakin toistaiseksi tuntemattomia hiukkasia, joten pelkästään Standardimallin hiukkassisällöllä tehdyt laskut, kuten Antipinin ja kollegoiden tutkimus, eivät ole viimeinen sana. Artikkelin johtopäätös joka tapauksessa on se, että approksimaatiot Higgsin kentän käyttäytymisestä eivät vielä ole tarpeeksi tarkkoja, että voitaisiin päätellä, mitä tapahtuu kentän ollessa hyvin voimakas.

Miten tästä on hypätty yliopiston lehdistötiedotteeseen, jonka mukaan hiukkasista voi koska tahansa tulla paljon raskaampia, aine puristua supertiheäksi palloksi ja maailmankaikkeus lakata olemasta?

Jos Higgsin kenttä siirtyisi epästabiiliin tilaan, niin tämä saattaisi tosiaan johtaa maailmankaikkeuden romahtamiseen, kuten mainittua. Mutta tästä lehdistötiedotteessa ei vaikuta olevan kysymys, vaan siitä, että kentän voimakkuus hyppäisi stabiiliin tilaan. Tällöin naiivisti ajateltuna hiukkasten massat (ja siten myös energiat) kasvaisivat. Mutta laskuissa Higgsin kentän tilan muuttumisesta ei ole otettu huomioon tätä – laskun koko idea on se, että maailmankaikkeus siirtyy tilaan, jossa kokonaisenergia on sama tai alempi, ei isompi. Jos hiukkasten massojen kasvun ottaisi huomioon, energia kasvaisi. Toisin sanoen, lehdistötiedotteen kuvaama hyppy on mahdoton. Tutkimuksessa ei mitään tällaisia väitteitä ole, romahtamisesta tai muusta maailmanlopusta ei siinä puhuta sanallakaan.

Lehdistötiedotteessa on mainittu yhteyshenkilönä tutkimuksen tekemiseen osallistunut jatko-opiskelija Jens Krog. Hän on myös ainoa henkilö, jota on lehdistötiedotteessa ”haastateltu”. Ei ole selvää, mikä osa tekstistä on hänen käsialaansa ja mikä kenties yliopiston tiedottajien. Ei liene syytä laittaa liikaa painoarvoa sille, että kyseessä on jatko-opiskelija, koska yhtä harhaanjohtavia tekstejä tulee vanhempienkin tutkijoiden nimissä. Yleinen käytäntö sitä paitsi on, että ennen väitöskirjan valmistumista jatko-opiskelijoiden synnit kuuluvat ohjaajien kannettavaksi, ja lehdistötiedotteen sisällön pitäisi olla kaikkien hyväksymä.

Tässä tapauksessa lehdistötiedote oli harhaanjohtava ja virheellinen. Mutta silloinkin kun tiedote kuvaa tutkimuksen sisältöä oikein, on ongelmallista, että toimittajat päättelevät pelkästään tiedotteen lähettämisestä, että jotain merkittävää on tapahtunut. Tämä onkin luonnollista – jos kysymys olisi sellaisesta pienestä askeleesta joita otetaan kymmeniä päivittäin, niin miksi juuri tästä olisi kirjoitettu tiedote? Esimerkiksi muka valoa nopeammiksi neutriinoiksi luullun mittausvirheen tapauksessa asia olisi pitänyt selvittää tutkimusryhmän tai laajemman tiedeyhteisön sisällä eikä uutisoida koko maailmalle.

Olen itse kerran joutunut tällaiseen tilanteeseen. Väitöskirjaopiskelijani Mikko Lavinnon ja Jagellon yliopistossa Krakovassa työskentelevän Sebastian J. Szybkan kanssa kehitimme kosmologisen mallin, jossa on alueita, jotka ovat sisältä isompia kuin ulkoa, tutkiaksemme rakenteiden vaikutusta maailmankaikkeuden laajenemiseen. Nimesimme ne Tardis-alueiksi, Oxford English Dictionaryyn Dr Who –sarjasta päätyneen sanan mukaan; sana tarkoittaa jotakin jonka sisäinen koko on isompi kuin ulkoinen. Nimen takia tutkimus sai huomiota netissä. Yhtä juttua varten toimittaja haastatteli minua, ja siitä tulikin ihan asiallinen. Ajattelin, että matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan tiedottajaa saattaisi kiinnostaa asian saama huomio, joten laitoin hänelle viestin. Puolitoista tuntia myöhemmin sain yllätyksekseni sähköpostissa lehdistötiedotteen luonnoksen. Soitin tiedottajalle ja sanoin, että parempi olla laittamatta tiedotetta, koska vaikka artikkeli on mielestäni hyvä ja kiinnostava, tiedotteen lähettäminen antaa liiallisen vaikutelman tutkimuksen merkityksestä. (Tiedottaja suhtautui asiallisesti, mutta voin kuvitella hänen miettineen, millaisia hölmöjä jotkut tutkijat ovat: miksi ottaa yhteyttä tiedottajaan, jos ei kerran halua, että tämä tiedottaa?)

Päävastuu tutkimuksesta tiedottamisesta asianmukaisesti on tutkijoilla itsellään. Higgsin hiukkasen löytymisen asiallinen uutisointi osoittaa, että tiedotusvälineet pystyvät esittämään tieteelliset läpimurrot oikeassa viitekehyksessä ja merkitykset paikalleen pistäen, jos niille tarjotaan siihen vankka pohja. Mutta toimittajienkin tulisi tehdä osansa ja etenkin ihmeellisten löytöjen kohdalla lehdistötiedotteiden tai muiden lehtien artikkelien kopioimisen sijaan selvittää miten asian laita todella on.

---

Työn toinen puoli

30.11.2013 klo 19.33, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Usein kysytään, millaista tutkijan työ on. Olen kirjoittanut asiasta yleisesti ja tutkimuksen osalta, nyt kommentoin hieman opettamista. Palattuani kesällä 2010 ulkomailta Helsingin yliopistolle olen opettanut keväisin suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan perusteita aloitteleville opiskelijoille ja syksyisin kosmologiaa pidemmälle ehtineille. Johdantokurssien ja edistyneempien erikoiskurssien pitäminen eroaa toisistaan aika lailla. 

Modernin fysiikan kulmakivet ovat suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka. Ne ovat täynnä ihmeellisiä asioita, joilla on perustavanlaatuinen merkitys maailmankuvallemme, todellisuuden epämääräisyydestä ajan suhteellisuuteen ja maailmankaikkeuden laajenemiseen. Oppiminen kuitenkin alkaa pohjatietojen hankkimisesta klassista fysiikkaa läpi käymällä. Samalla pitää omaksua kokonainen työkalupakki matemaattisia menetelmiä, jotta voi ymmärtää sitä kieltä, jolla teoriat on ilmaistu. Menee vuosia ennen kuin voi päästä sisälle vaikkapa yleiseen suhteellisuusteoriaan, mikä voi tuntua lannistavalta.

Tämän takia Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella on kaksi kurssia, joiden tarkoituksena on esitellä suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan perusteita ja ilmiöitä pelkistetysti. Kurssit on suunnattu ensimmäisen vuoden fysiikan opiskelijoille, mutta niillä käy myös edistyneempiä muiden aineiden opiskelijoita. Yksinkertaisia esimerkkejä käydään läpi matemaattisesti, monia asioita kuvaillaan vain populaarilla tasolla. Näitä kursseja luennoidessani pääasiallinen tavoitteeni ei ole se, että opiskelijat oppisivat fysiikkaa, vaan että he saisivat käsityksen siitä, mitä kaikkea hienoa siinä onkaan ja olisivat motivoituneita jatkamaan opintoja.

En ole varma kuinka hyvin tämä on onnistunut. Puolipopulaarit esitykset ovat minusta kaikkein hankalin laji. Täysin populaareissa luennoissa voi maalata leveällä pensselillä, yksityiskohtaisissa kursseissa matematiikka muodostaa selkeän kehyksen, jossa asiat ovat paikoillaan. Puolipopulaarien kurssien kohdalla pitää tasapainoilla sen välillä, että on tarpeeksi matematiikkaa teorioiden rakenteen selvittämiseksi, mutta riittävästi kuvailua josta saa laajemman käsityksen asioista, joiden matematiikka on liian vaativaa tai veisi liian kauan selittää. Vaikeutta lisää se, että opintojen alkuvaiheessa opiskelijoilla on vielä opittavana fysikaalisen sisällön lisäksi myös se, miten matematiikkaa käytetään fysiikan ymmärtämiseen. Kun on oppinut yhtälöiden lukemisen ja kirjoittamisen taidon, se tuntuu itsestään selvältä, ja on vaikea ymmärtää miksi joku pitää sitä vaikeana tai pelkää yhtälöitä.

On turhauttavaa kun opetukseen ei voi paneutua täysipainoisesti, vaan sitä tekee huonommin kuin mihin kykenisi. Luennot voisi pitää selkeämmin ja olisi mahdollista kartoittaa tarkemmin mitkä asiat ovat kurssilaisten mielestä hankalia, mutta se veisi enemmän aikaa. Tutkijan työssä kun on aikakin kaksi puolta, opetus ja tutkimus – raha-anomukset, hallinto ja mahdollisesti popularisointi tulevat sitten vielä päälle. Monet tosin katsovat, että tutkimus on heidän varsinainen toimensa, ja opetus ja muut velvollisuudet ovat lähinnä häiriötekijöitä. Opetusta pidetään usein negatiivisena palkkana, jonka joutuu maksamaan saadakseen tehdä tutkimusta. Hiukkasfyysikko Sidney Colemanin kanta, jonka mukaan hän luopuisi mielellään puolesta palkastaan, jos hänen ei tarvitsisi opettaa, ei liene harvinainen. Colemanilla toisaalta on maine loistavana opettajana: sellaista arvostetaan, mutta se ei ole juuri kenenkään tavoite. Tutkijan intohimo on uusien asioiden tutkiminen, ei vanhojen opettaminen. Myös työpaikkojen hakijoita arvioidessa tutkimusansiot ovat oleellisin tekijä, opetus on toisella sijalla.

Esittelykurssien luennoimisesta on kyllä se ilo, että tulee ajatelleeksi laajempia kokonaisuuksia ja historiallista kehitystä. Kuten popularisoidessa, samalla hahmottaa miten suurenmoisia asioita maailmasta onkaan saatu selville. Lisäksi, toisin kuin täysin populaarien kurssien yhteydessä, oppii arvostamaan sitä, miten fysiikan ideoita voi välittää yksinkertaisella matematiikalla. 

Edistyneemmissä kursseissa on antoisaa se, että tulee käytyä yksityiskohtaisesti läpi sellaisiakin asioita, joita ei itse tutki. Opettaessa asiat pitää ymmärtää paljon tarkemmin kuin opiskellessa, ja kun on sisäistänyt tarpeellisen matematiikan kauan sitten, asiat tuntuvat helpoilta ja suoraviivaisilta, niin että joskus kummastelee, mikä niissä voi tuntua hankalalta. On virkistävää, ainakin ensimmäisillä luentokerroilla, nähdä miten jotkut opiskeluajoilta tutut asiat asettuvat osaksi nykyään laajemmin tuntemaa kokonaisuutta. Toisaalta kosmologiakurssiakin luennoin toinen käsi selän taakse sidottuna, koska suurin osa opiskelijoista ei ole opiskellut yleistä suhteellisuusteoriaa, joten kaikkea ei voi esittää niin suoraan ja selkeästi kuin mitä mieli tekisi.

Myöhäisemmän vaiheen kursseilla saa myös paremman kosketuksen opiskelijoihin, koska osallistujia on vähemmän: suhteellisuusteorian perusteiden kurssia käy 150 opiskelijaa, ensimmäistä kosmologian kurssia 20. Ero opiskelijoiden ja luennoitsijan näkökulman välillä on myös pienempi kuin opintojen alussa, mikä helpottaa kommunikointia. Ehkä kaikenlaisessa opettamisessa on kuitenkin piristävintä se, miten kiinnostuneita jotkut opiskelijat ovat fysiikasta.

---

Ei vielä valoa pimeyteen

26.11.2013 klo 21.40, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Huhtikuussa CDMS-niminen koeryhmä kertoi, että sen mittalaitteen kolmea atomia oli tönitty. Tämä saattoi johtua joko siitä, että pimeän aineen hiukkasia oli kulkenut sen läpi, tai sitten kyse oli taustakohinasta. Tiedotusvälineisiin juttu päätyi, koeryhmän erään jäsenen lehdistötiedotteen siivittämänä, siinä muodossa, että pimeä aine on havaittu 99.8% todennäköisyydellä. Väite oli harhaanjohtava: CDMS:n havainto oli kiinnostavan rajoilla, ei lähellä varmaa. Mutta oikeatkin havainnot usein alkavat pieninä vihjeinä, jotka varmentuvat uusien mittausten myötä. Jos CDMS:n tönäisyissä olisi kyse pimeästä aineesta, herkempien kokeiden pitäisi nähdä pimeä aine kirkkaasti.

Tarkempia havaintoja on nyt tehty: pimeää ainetta etsivä LUX-koeryhmä julkisti ensimmäiset tuloksensa lokakuun 30. päivä. LUX on lyhenne sanoista Large Underground Xenon, mikä viittaa siihen, että mittalaite on iso (250 kg – CDMS:än massa on vain 6 kg), sijaitsee puolentoista kilometrin syvyydessä hyvin eristettynä ja käyttää ksenonia havaintoaineenaan. Koejärjestely on samanlainen kuin CDMS:llä ja muilla pimeää ainetta suoraan etsivillä kokeilla: tarkkaillaan palaa ainetta (tässä tapauksessa säiliötä täynnä kaasua ja nestettä) ja odotetaan, töniikö pimeän aineen hiukkanen sen atomeja.

LUX ei nähnyt mitään merkkejä pimeästä aineesta: mittalaite havaitsi tönäisyjä sen verran, mitä taustakohinasta odottaakin, ei mitään ylimääräistä. (Jester ja Tomaso Dorigo kertovat asiasta tarkemmin.) LUX on isompi ja tarkempi kuin CDMS, joten jos CDMS:n havainnot olisivat olleet vihje pimeästä aineesta, LUX olisi nähnyt pimeän aineen selvästi – ainakin mikäli kyseessä olisi yksinkertaisin pimeän aineen kandidaatti.

Pimeästä aineesta ei tiedetä paljoa. Luultavasti se koostuu toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista, mutta on tusinoittain erilaisia malleja sille, millaisia nämä hiukkaset ovat. Eräs suosituimpia ehdokkaita on tavallisten hiukkasten, kuten fotonin, raskaammat supersymmetriset puolisot. Jos CDMS:n tönäisyt johtuisivat tällaisista hiukkasista, LUX olisi nuo hiukkaset löytänyt. Vaikka LUX ei anna kuoliniskua yksinkertaisimmille supersymmetriaan liittyville pimeän aineen malleille, se kuitenkin entisestään heikentää niiden uskottavuutta. Tämä sopii hyvin yhteen sen kanssa, että LHC-kiihdytin ei myöskään ole nähnyt merkkiäkään supersymmetriasta.

Mutta on muitakin pimeän aineen ehdokkaita, ja on mahdollista kehitellä kaikenlaisia selityksiä sille, miksi CDMS olisi nähnyt pimeää ainetta, mutta LUX ei. Yksi ehdotus on ksenofobinen pimeä aine, joka vuorovaikuttaa LUXissa käytettävän ksenonin kanssa heikommin kuin CDMS:ssä käytettävän piin ja germaniumin. Samalla voi yrittää selittää vielä sen, miksi koe nimeltä DAMA väittää havainneensa pimeää ainetta jo monta vuotta, mutta muut ryhmät eivät ole pystyneet toistamaan tulosta.

Oppikirjoista jälkikäteen lukiessa tieteen edistyminen vaikuttaa väistämättömän selvältä. Arvoitusta ratkaistessa on kuitenkin paljon vääriä johtolankoja, eikä ole ilmeistä mihin suuntaan pitäisi kulkea. Jos uskoo sekä LUXin että DAMAn havaintojen pitävän paikkansa, voi sanoa että on saatu selville jotain hyvin odottamatonta ja merkittävää pimeän aineen hiukkasen ominaisuuksista:  se reagoi eri tavalla eri atomiydinten kanssa. Toisaalta voi arvioida, että koska kokeiden yhteensovittaminen vaatisi jotain hyvin odottamatonta, on luultavampaa, että DAMAn analyysissä on jokin merkittävä virhe, eikä sen enempää DAMA kuin CDMS ole nähnyt pimeää ainetta.

LUXin julkaisemat tulokset perustuvat ensimmäisen kolmen kuukauden havaintoihin. Vuosina 2014 ja 2015 on tarkoitus kerätä 10 kuukautta lisää dataa. On myös odotettavissa, että mittalaitteiden toiminta ymmärretään paremmin ja data-analyysi tarkentuu, joten LUXin rajat pimeän aineen ominaisuuksille tiukentuvat. On mahdollista, että pimeä aine vuorovaikuttaa juuri sen verran heikosti, että LUX ei nähnyt sitä kolmessa kuukaudessa, mutta se jää haaviin kun kuukausia saadaan kymmenen lisää. Ei kuitenkaan ole mitään erityistä syytä odottaa, että näin olisi. Mutta negatiivisetkin tulokset -sen osoittaminen, että jokin malli ei pidä paikkaansa- ovat tieteellisesti arvokkaita. 

Pikku-uutinen. Neljä ja puoli vuotta uskollisesti palvellut Planck-satelliitti on saatettu viimeiseen lepoon. Planck otti vastaan viimeisen käskynsä ja sammui ikiajoiksi lokakuun 23. päivä. Osa Planckin kosmologisista havainnoista julkistettiin maaliskuussa, mutta paljon keskeistä dataa on vielä analysoimatta, ja niiden julkaisua vuonna 2014 odotetaan innolla. Seuraavat kosmologisesti kiinnostavat eurooppalaiset satelliitit ovat vuonna 2020 kiertoradalle kapuava Euclid ja ensi kuussa, joulukuun 20. päivä, matkaan lähtevä Gaia. Kirjoitan molemmista myöhemmin lisää, Gaiasta toivon mukaan ennen sen maastamuuttoa. Gaiasta on muuten mainio juttu Tähdet ja avaruus -lehden uusimmassa numerossa, 7/2013. 

---

Kuvitettu legenda

31.10.2013 klo 23.04, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luin hiljattain Jim Ottavianin kirjoittaman ja Leland Myrickin kuvittaman sarjakuvan Feynman. Jos fyysikoista Albert Einstein onkin tunnetuin, niin Richard Feynman lienee heistä ihailluin. Feynman oli toisen maailmansodan jälkeisen ajan merkittävimpiä fyysikoita, ja hänellä oli keskeinen rooli kvanttikenttäteorian muotoilussa. Kvanttikenttäteoria on (toistaiseksi) perustavanlaatuisin teoria aineen käyttäytymisestä ja yleisen suhteellisuusteorian ohella toinen teoreettisen fysiikan kulmakivi, joten tämä ei ole mikään vähäinen saavutus. Mutta toisin kuin taiteilijoista, tieteilijöistä harvoin tulee yleisesti tunnettuja vain ammatillisten saavutusten takia: Feynmanin kanssanobelisteja Sin-Itiro Tomonagaa ja Julian Schwingeriä ei juuri fyysikkopiirien ulkopuolella muistella.

Feynman on noussut tietoisuuteen suurelle yleisölle suunnatuilla fysiikan laeista kertovilla seikkaperäisillä kirjoillaan ja hauskoilla omaelämänkerrallisilla tarinakokoelmillaan Laskette varmaankin leikkiä, Mr. Feynman! ja Mitä siitä, mitä muut ajattelevat?. Siinä missä Einsteinia pidetään nerokkaan etäisenä, Feynman päästi kirjoissaan lukijat lähelle, ja rakensi itsestään kuvan mutkattomana tyyppinä, joka myös sattuu olemaan säkenöivän älykäs fyysikko. 

Feynman oli sujuva juttumies, ja hänen julkinen kuvansa rakentuu paljon hänen omien tarinoidensa pohjalle. Tämä näkyy Ottavianin ja Myrinckin sarjakuvassa, Feynmanin kirjoja lukenut tunnistaa suuren osan kohtauksista. Mutta koska kertomukset ovat niin viihdyttäviä, tämä ei ole tylsää, ennemminkin tulee sellainen olo, että kuuluu sisäpiiriin, kun tietää miten tuttu tarina kulkee. Toisaalta häiritsee se, että Feynmanin harkittu kerronta ja taidokas ajoitus on ajoittain hukattu: tuntuu että vitsin olisi voinut kertoa paremminkin. Joskus kuvitus on suoranaisesti hakoteillä. Esimerkiksi Feynmanin selitys siitä, miten hän lopetti alkoholin juomisen varjellakseen itseään huomattuaan Brasiliassa halunneensa alkoholia ilman mitään sosiaalista syytä on kuvitettu siten, että Feynman seuraa kaunista naista baariin ja tiskille. Yhtälöiden ja fysiikan kaavioiden kanssakin ollaan välillä pielessä: Feynmanin pohdintaa kvanttielektrodynamiikan (QED) selittämisestä on kuvitettu liitutaululla, jossa on aivan eri teorian, kvanttiväridynamiikan, diagrammeja.

Mutta enimmäkseen kerronta ja kuvitus toimivat hyvin, tunnelma on kuin ystävää muistellessa, ja Feynmanin kuolema on kuvattu erityisen koskettavasti. Tekstiä on paljon, mutta ajatus pysyy liikkeessä. Ainoa minusta tylsä osuus oli se, jossa käydään läpi Feynmanin suurelle yleisölle suunnattua selitystä QED:stä. QED:n sisällön seuraaminen vaatisi enemmän paneutumista kuin Feynmanin kommelluksista lukeminen, ja kun sarjakuvassa on luonnollisesti vain pala kokonaisuutta, ainakaan minä en saanut siitä paljon irti.

Feynman on kiehtova hahmo värikkään persoonansa ja auktoriteetteja kumartamattoman luonteensa takia, ja Feynman -tai ennemmin Feynmanin legenda- on monen fyysikon ihanne. Feynmanin omakuvaan kuuluu myös riippumattomuus ja irrallisuuden illuusio, ikään kuin kaikkia aloja voisi arvioida fyysikon perustuntemuksen kautta, eikä koskaan tarvitsisi välittää tekojen tai tekemättä jättämisen seurauksista. Kuten Feynmanin omassa kerronnassa, ei sarjakuvassakaan juuri ole vastuun sävyjä, edes joukkotuhoaseiden kehittämiseen liittyen.

Oikeastaan kirjassa ei ole mitään kriittisiä huomioita Feynmanista. Esimerkiksi vuoden 1948 konferenssi, jossa Feynman ja Schwinger esittelivät muotoilunsa QED:lle on esitetty Feynmanin silmien kautta siten että pääasiallinen vaikutelma on se, että Niels Bohr ei vain ymmärtänyt Feynmanin ajatusten syvällisyyttä. Frank Close kertoo hiukkasfysiikan Standardimallin historiaa käsittelevässä kirjassaan The Infinity Puzzle tapauksen siten, että Feynman ei vakuuttanut kuulijoitaan, koska hänen perustelunsa kiersivät kehää ja teoria oli puolivalmis, mikä tekisi tarinasta sekä monimutkaisemman että inhimillisemmän.

Kirjasta on myös jätetty pois joitain Feynmanin omia kertomuksia, jotka toisivat tummia sävyjä hänen henkilökuvaansa. Mukana on kohtaus, joissa Feynman puolustaa tyttöjen fysiikan opiskelua, mutta pois on jäänyt juttu, jossa Feynman painosti naisen harrastamaan seksiä kanssaan sanomalle, että tämä on ”pahempi kuin huora” jos kieltäytyy, koska Feynman oli ostanut hänelle voileivän. Myöskään muiden henkilöiden vähemmän imartelevia muisteloita Feynmanin suhtautumisesta naisiin ei kirjassa ole.

Kirjaa on kehuttu elämänkertana, mutta sellaiseksi se on auttamattoman yksipuolinen. Sarjakuvia ilmaisumuotona väheksytään aiheetta, mutta sillä on kääntöpuolensa: poikkeuksellisen hyvä tai erikoisesta aiheesta tehty sarjakuva voi saada anteeksi sellaista, mihin kuvattomassa kirjassa suhtauduttaisiin huolellisemmin. Tekijät kertovat lukeneensa kasoittain Feynmanista kertovia kirjoja, mutta kaikki on suodatettu Feynmanin itsensä kautta. Edellinen lukemani tieteilijän elämänkerta oli Jürgen Neffen Einstein: A biography, ja sen kriittisestä analyysistä on pitkä matka Ottavianin ja Myrickin ihailevaan esittelyyn. Mutta yhtä hyvin voisi kritisoida Neffen kirjaa siitä, että se ei ole hauska tai inspiroiva, eikä synnytä läheisyyden tunnetta. Ennemmin kuin historiankirjoitusta, Feynman-sarjakuva on ihailijoiden lämpimässä hengessä tekemä kunnianosoitus, Feynmanin tarinoiden uskollinen kuvitus. Sellaisena on se perin onnistunut.

---

Massojen mekanismista

8.10.2013 klo 23.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vuoden 2013 Nobelin fysiikan palkinto on tänään myönnetty François Englertille ja Peter Higgsille. Nobel-komitean yhden virkkeen perustelu on huolellisen kimurainen: palkinto on myönnetty ”atomia pienempien hiukkasten massan alkuperän ymmärrystä lisäävän mekanismin teoreettisesta löytämisestä, joka hiljattain varmistettiin sen ennustaman alkeishiukkasen löytämisellä ATLAS- ja CMS-kokeiden toimesta CERNin Large Hadron Collider -kiihdyttimessä”.

Vaikka perustelussa mainitaan Higgsin hiukkanen, keskeiseksi on asetettu mekanismi jolla alkeishiukkaset saavat massansa, vuorovaikuttamalla avaruuden täyttävän Higgsin kentän kanssa. Higgsin kenttä ja siihen liittyvä hiukkanen ovat kiinteä osa hiukkasfysiikan Standardimallia. LHC:n käynnistyessä voitiin taata, että löytyy joko Higgsin hiukkanen tai poikkeamia Standardimallista tai molempia, ja Higgsin löytymistä pidettiin erittäin luultavana. Niinpä jo ennen kuin ATLAS ja CMS ilmoittivat uudesta hiukkasesta heinäkuussa 2012 (joka maaliskuussa 2013 julistettiin virallisesti Higgsin hiukkaseksi), käytiin painokkaita keskusteluita siitä, kenen pitäisi saada Nobelin palkinto. Palkinnonsaajien julkistamista seurattiinkin CERNissä innolla (kollegani Tommaso Dorigo livebloggasi seremonian katsomista CERNistä).

Nobel-komitean sääntöjen mukaan palkinto voidaan myöntää korkeintaan kolmelle henkilölle, mutta Higgsin mekanismin teoreettiseen löytämiseen on merkittävissä määrin osallistunut ainakin seitsemän ihmistä. Englertin kanssa yhteistyötä tehnyt Robert Brout kuoli vuonna 2011: jos Brout olisi elänyt kaksi ja puoli vuotta pidempään, hänkin olisi ollut palkittujen joukossa. Lisäksi Gerald Guralnik, Tom Kibble and Carl Hagen kirjoittivat yhden merkittävän julkaisun nykyään Higgsin mukaan nimetystä mekanismista ja Philip Anderson oli ensimmäisenä kehittänyt samanlaisen mekanismin, eri olosuhteisiin sovellettuna.

Matt Strasslerilla on selkeä katsaus Higgsin mekanismin löytämisen käänteisiin, ja yksityiskohdista kiinnostuneille suosittelen Frank Closen mainiota kirjaa ”The Infinity Puzzle”. Strasslerin kirjoituksessa on hyviä oivalluksia, esimerkiksi hän korostaa sitä, että kaikki seitsemän tutkijaa pyrkivät ratkaisemaan muita ongelmia kuin sitä, mihin Higgsin mekanismia Standardimallissa lopulta käytettiin. Lisäksi Higgsin hiukkasta pidettiin niin epäoleellisena, että ainoastaan Peter Higgs mainitsi asiasta, ja hänkin vain jälkikäteen täydentääkseen artikkeliaan, jotta se kelpaisi julkaistavaksi. Nyt Higgsin hiukkasta pidetään tärkeänä erityisesti siksi, että muut osat Higgsin mekanismista oikeastaan tulivat todistetuksi jo 1983, kun heikkoa vuorovaikutusta välittävät massiiviset W– ja Z-bosonit löydettiin, mistä myönnettiinkin Nobelin palkinto seuraavana vuonna. Higgsin hiukkanen oli pitkään ainoa kateissa oleva osa.

Mielivaltaisesta kolmen henkilön rajasta johtuva keskustelu siitä, kuka Nobelin palkinnon ansaitsisi, vie kenties ajatuksia väärille raiteille. Kaikkien osallistuneiden tutkimus on arvostettua, eivätkä heidän ansionsa riipu Tukholmassa istuvan komitean päätöksistä. On myös tärkeää huomata, kuten Peter Woit ja Jon Butterworth korostavat, että tieteessä ei ole kyse vain yksittäisten tieteilijöiden tekemistä läpimurroista. Usein ideoita kehittelevät monet tutkimusyhteisön jäsenet, joista kukin saa palasen oikein. Nyt palkittujen sen enempää kuin palkintoa vaille jääneiden tavoitteena ei ollut alkeishiukkasten massojen selittäminen, ja Higgsin kentän ottaminen osaksi Standardimallia on muiden käsialaa. Higgsin mekanismin tapauksessa teoreetikkojen joukosta on vielä mahdollista nostaa esiin kymmenenkunta henkilöä, mutta jos esimerkiksi supersymmetria löydetään, muutaman teoreetikon poimiminen satojen tai tuhansien asiaa tutkineiden joukosta olisi keinotekoista ja antaisi virheellisen kuvan teorian kehittämisestä.

Lisäksi, kuten Woit ja Butterworth kirjoittavat, Higgsin löytäminen on ennen kaikkea kokeellisen fysiikan menestystarina. LHC on ihmiskunnan mittavin tieteellinen koe, ja Higgsin löysivät yhdessä koordinoidusti ja huolella toimineet tuhannet ihmiset, jotka selvittivät tarkkaan aineen käyttäytymistä arkielämää miljardi miljardia kertaa pienemmässä mittakaavassa. Englert ja Higgs ovat palkinnon ansainneet, mutta ilman ATLAS- ja CMS-ryhmiä sekä LHC:n toiminnasta vastaavaa ryhmää ei Standardimallin viimeinen pala olisi paikallaan. Toivottavasti Nobelin palkinto voidaankin jatkossa myöntää kokonaisille tutkimusryhmille.

Hiukkasfysiikan Standardimalli on kerännyt vuosien varrella runsaasti Nobeleita. Nyt kaikki Standardimalliin liittyvä on löydetty, ja nämä lienevät viimeiset Tukholman kutsut jotka sen tiimoilta lähetetään. Yksi aikakausi hiukkasfysiikan historiassa päättyy kun mitalit myönnetään joulukuun 10. päivä. Jatkossa hiukkasfysiikassa on päästävä tuntemattomalle mantereelle, Standardimallin tuolle puolen.

---

Talvisirkus Kosmos ja muita esityksiä

23.9.2013 klo 16.44, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olen ohjaaja Davide Giovanzanan kanssa käsikirjoittanut sirkusesityksen maailmankaikkeuden historiasta, jonka Tanssiteatteri Hurjaruuth toteuttaa. Talvisirkus Kosmoksessa käydään läpi maailmankaikkeuden historiaa takaperin ajassa nykypäivästä maailmankaikkeuden alkuun asti. Ensi-ilta on 7. marraskuuta Kaapelitehtaalla, lippuja voi ostaa Hurjaruuthin sivuilta.

Davide on aiemmin ohjannut mm. kvanttimekaniikkaa sirkuksen keinoin esitelleen Quantum Circuksen sekä mestarillisen naamionäytelmän Pirandello Project, joka kertoi taiteellisesta toisinajattelusta totalitaarisessa yhteiskunnassa. Tapasin Daviden vuonna 2011 puhuessani Arkadia-kirjakaupassa, ja totesimme että kosmologiastakin voisi tehdä sirkusta. On mielenkiintoista nähdä, miltä esitys lopulta lavalla näyttää.

Hurjaruuthin YouTube-kanavalla Hurjaruutu julkaistaan muutaman minuutin juttuja, joissa esitellään Talvisirkuksen tekijöitä. Toistaiseksi niitä on ilmestynyt kolme. Ensimmäisessä osassa haastatellaan Davidea, toisessa esittäytyy kymmenen sirkusesiintyjää ja kolmannessa haastatellaan minua. (Omien haastattelujen katsominen on epämukavaa, joten en osaa sanoa, mitä lopulliseen versioon on päätynyt, mutta jotain kosmologiasta ja sirkuksen käsikirjoittamisesta muistaakseni puhuttiin.)

Kahden esityksistä jälkeen (14.11. kello 14.30 esitys ja 28.11. kello 18 esitys) olen paikalla keskustelemassa esityksen taustalla olevasta kosmologiasta.

Mainittakoon myös, että puhun 4.10. Matemaattisten Aineiden Opettajien Liiton syyskoulutuspäivillä Jyväskylässä pimeästä aineesta otsikolla ”Tähdet – valoja kosmisessa joulukuusessa”.  Kimmo Kainulainen Jyväskylän yliopistosta puhuu samassa tilaisuudessa pimeän aineen havaitsemisesta. Tapahtuma on suunnattu MAOLin jäsenille, tosin muutkin voivat tulla, mutta se on maksullinen ja ilmoittautuminen näyttää jo päättyneen.

Puhun tiistaina 12.11. kello 18.30 Kirkkonummen komeetan tilaisuudessa Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa, pimeästä aineesta sielläkin. Tilaisuuteen on vapaa pääsy.

Puhun torstaina 21.11. Porvoon kansalaisopistossa kosmologiasta kello 13. Esitys on osa luentosarjaa ”Tiede muuttaa maailmaa”, koko kurssin maksu on 35 euroa.

Päivitys (23/09/13): Piti sanomani, että olen ensi-ilta viikon maanantaina 4.11. kello 20.30 Talvisirkuksen tiimoilta haastateltavana YLE:n TV2:n live-ohjelmassa Suorana:Kortesmäki.

---

Ikuisuus vailla lämpökuolemaa

13.9.2013 klo 09.59, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kosmologian tutkimuskohteena on maailmankaikkeus kokonaisuutena, joten kosmologit tarinoivat mielellään suureellisia kaikkeuden alusta tai lopullisesta kohtalosta. Mutta vaikka ymmärryksemme ulottuu hyvin varhaisiin aikoihin, sekunnin ensimmäisen miljardisosan murto-osiin, on maailmankaikkeuden alku (tai edes se, onko maailmankaikkeudella ollut alkua) kuitenkin hämärän peitossa. Emme myöskään tiedä tarpeeksi, että voisimme kertoa mitä miljardien vuosien päässä tulevaisuudessa tapahtuu. Mutta pystymme melkoisella varmuudella sanomaan, mitä ei tapahdu: maailmankaikkeus ei päädy lämpökuolemaan.

Ajatukseen maailmankaikkeuden lämpökuolemasta törmää aika ajoin. Idea on peräisin 1800-luvulta, ja siinä on kyse seuraavasta asiasta. Termodynamiikan lakien mukaan lämpötilaerot tasaantuvat ajan myötä. Jos sekoittaa kylmää maitoa kuumaan kahviin, tuloksena on haaleaa maitokahvia, jonka lämpö puolestaan tasaantuu kahvihuoneen ilman kanssa. Tilannetta, jossa lämpötila on sama joka paikassa kutsutaan lämpökuolemaksi. Tällöin tulevaisuus on ikuisesti samanlainen, mikään ei muutu. Tämän idean mukaan koko kosmos päätyy lopulta tasaiseksi haaleaksi keitoksi.

Tämä ei kuitenkaan pidä paikkaansa: maailmankaikkeus ei noudata termodynamiikan lakeja, koska gravitaatio käyttäytyy niin omituisesti. Klassisessa fysiikassa gravitaatio vaikuttaa yksinkertaiselta, suorastaan tylsältä: massat vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen niiden väliseen etäisyyteen (korjaus: etäisyyden neliöön, kiitos kommentoijalle Juhani Harjunharja huomiosta!). Tällä yksinkertaisella lailla on kuitenkin monimutkaisia ja kummallisia seurauksia.

Hiukkasten lähestyessä toisiaan niiden välinen voima kasvaa rajatta. Vastaavasti niiden potentiaalienergia muuttuu yhä negatiivisemmaksi ja kineettinen energia kasvaa, eli ne liikkuvat yhä nopeammin. Niinpä kahdesta hiukkasesta voi saada äärettömästi energiaa, laittamalla ne kiertämään toisiaan samalla jarruttaen niitä kuin myllyn siipiä liike-energian keräämiseksi. Newtonin gravitaatiolain mukaisesta vuorovaikuttavista hiukkasista koostuva systeemi on siis jokseenkin sairas: sen mistä tahansa osasta voi siirtyä pois ääretön määrä energiaa, ja hiukkaset voivat kiihtyä äärettömiin nopeuksiin. Tällainen kaasu ei rauhoitu tasaiseen lämpötilaan — sitä ei voi käsitellä termodynamiikan keinoin. Tämä ongelma korjaantuu yleisessä suhteellisuusteoriassa, koska hyvin lähelle toisiaan menevät hiukkaset muodostavat mustan aukon, eikä niistä saa enää energiaa ulos.

Toinen Newtonin gravitaatiolain omituisuus liittyy pitkiin etäisyyksiin, ja sitä ei yleinen suhteellisuusteoria korjaa. Tarkastellaan yhteen hiukkaseen kohdistuvia voimia tilanteessa, jossa hiukkasia on avaruudessa jokseenkin tasaisesti. Jokaisen yksittäisen hiukkasen siihen kohdistama voima on sitä pienempi, mitä kauempana se on. Mutta kauempana on myös enemmän hiukkasia. Jos ajatellaan hiukkasten jakautuneen ohuille pallokuorille, niin kuorten pinta-ala ja siten hiukkasten lukumäärä kasvaa kuten etäisyyden neliö, eli samaa tahtia kuin yksittäisen hiukkasen aiheuttama voima pienenee. Jokaisen pallokuoren vaikutus on siis yhtä iso sen etäisyydestä riippumatta: äärettömän kaukana olevien hiukkasten aiheuttama voima on yhtä merkittävä kuin vieressä olevien. Termodynamiikassa kuitenkin oletetaan, että kaikki aineen osat vuorovaikuttavat merkittävästi vain lähellä olevan aineen kanssa, eli että tarkasteltaessa jotain pientä aluetta ei tarvitse välittää siitä, mitä kaukana maailmankaikkeuden toisella puolella tapahtuu. Yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaation kantama ei ole ääretön, koska se välittyy äärellisellä nopeudella, mutta se on silti liian pitkä termodynamiikalle.

Gravitaation avulla vuorovaikuttavien hiukkasten muodostamaa systeemiä ei siis voi kuvata termodynamiikan keinoin. Se ei kulje kohti lämpötasapainotilaa, eikä sellaista edes ole olemassa. Asiaa voi havainnollistaa ajatuskokeella, missä säiliössä on keskellä levy ja sen vasemmalla puolella on kuumaa ja oikealla puolella kylmää kaasua. Kun levy poistetaan ja kaasut sekoittuvat, niin termodynamiikan mukaan tuloksena on haalea tasainen seos. Tältä saattaakin aluksi näyttää, mutta kun gravitaatio on mukana, tämä lähes tasainen kaasu ei ole tasapainotila. Sen sijaan kaasun tiheämmät alueet vetävät muuta massaa puoleensa, joten niiden tiheys entisestään kasvaa. Täten muodostuu tiheitä kimppuja, joissa hiukkaset kiertävät toisiaan suurella nopeudella ja joiden välissä on paljon tyhjää tilaa. Samanlaisena pysyvää tilaa ei ole, vaan rakenteet jatkavat kehittymistä.

Tämän ajatuskokeen oleelliset piirteet kuvaavat maailmankaikkeuden todellista historiaa. Kosminen mikroaaltotausta on valokuva varhaisesta maailmankaikkeudesta, ja se näyttää että kun maailmankaikkeus oli 400 000 vuotta vanha, sen lämpötila oli sama kaikkialla sadastuhannesosan tarkkuudella. Lämpökuolema ei ole maailmankaikkeuden tulevaisuus, vaan sen menneisyys. Gravitaatio vahvistaa pieniä epätasaisuuksia ja muodostaa miljoonien ja miljardien vuosien kuluessa monimutkaisia rakenteita kuten galakseja ja aurinkokuntia. (Kuvassa Planck-satelliitin mittaama kosminen mikroaaltotausta.)

Kehityksen kohti monimutkaisempia rakenteita näkee selvästi simulaatioissa, joissa lasketaan miten lähes tasainen hiukkasjoukko kehittyy Newtonin gravitaatiovoiman alaisena: tässä on nopea simulaatio, tässä hieman hitaampi kaksiulotteinen siivu. Pienemmässä mittakaavassa käy samalla tapaa: tässä on simulaatio Linnunradan kaltaisen galaksin kehityksestä. (Korkeamman resoluution versio löytyy täältä.)

Maailmankaikkeus ei jää nykyisen näköiseksi, galaksit tai aurinkokunnat eivät ole ikuisia. On olemassa erilaisia arveluita siitä, mikä on aineen tulevaisuus pitkällä aikavälillä ja millaiseksi maailmankaikkeus lopulta päätyy: mutta ne ovatkin jo toinen tarina.