Kosmokseen kirjoitettua

Kellojen verkko

16.5.2023 klo 17.58, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Nathaniel Sherrill Sussexin yliopistosta Iso-Britanniasta puhui toissaviikolla Helsingin yliopiston fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarissa atomikelloista. (Tieteellinen artikkeli aiheesta täällä.)

Atomikellojen idea on yksinkertainen. Jokainen atomi värähtelee ja lähettää valoa vain tietyillä sille ominaisilla taajuuksilla. Valon taajuus osataan mitata erittäin tarkasti, atomien tapauksessa miljardisosan miljardisosan tarkkuudella. Atomien värähtely on tarkin tapa mitata aikaa: ajan yksikkö sekunti on määritelty cesium-atomin lähettämän valon taajuuden avulla. Atomikello jätättää vain noin sekunnin kymmenessä miljardissa vuodessa, toisin sanoen sekunnin kymmenesmiljardisosan vuodessa.

Koska atomin lähettämän valon taajuus on tunnettujen fysiikan lakien mukaan aina sama, sen muutos on viesti tuntemattomasta. Niinpä atomikellot ovat uuden fysiikan herkkiä mittareita.

Atomit koostuvat protonien ja neutronien muodostamasta ytimestä sekä siihen sähkömagneettisen vuorovaikutuksen sitomista elektroneista. Siksi atomin taajuudet riippuvat neutronien ja protonien massojen suhteesta elektronin massaan sekä sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuudesta. Koska eri atomiytimissä on eri määrä protoneita ja neutroneita, niiden taajuus riippuu näistä tekijöistä eri tavoin, joten erilaisten atomien mittaaminen antaa erilaista tietoa mahdollisista muutoksista.

Sherrill on mukana verkostossa QSNET, joka tarkkailee, muuttuvatko atomien taajuudet ajan myötä. Toistaiseksi QSNET on mitannut cesium-, strontium- ja ytterbium-atomeita, ja se on laajentamassa kokeita neljään muuhun atomiin.

Protonien, neutronien ja elektronien massat ja sähkömagnetismin voimakkuus voivat muuttua, jos ne vuorovaikuttavat jonkin kentän kanssa, joka muuttuu ajassa. Kaikkialla avaruudessa on Higgsin kenttä, joka antaa massat tunnetuille hiukkasille. (Paitsi kenties neutriinoille, niiden massojen alkuperästä ei ole varmuutta.) Jos Higgsin kenttä muuttuisi ajassa, niin myös hiukkasten massat muuttuisivat. Higgsin kenttä ei kuitenkaan nykyaikoina muutu mihinkään, vaan istuu paikoillaan.

On mahdollista, että on olemassa muita samantyyppisiä kenttiä, joiden kytkentä näkyvään aineeseen on heikompi, mutta jotka muuttuvat nopeammin. Yksi motivaatio on se, että tällainen kenttä voisi olla pimeää energiaa, jolla selitetään maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymistä. Myös pimeän aineen ehdokas nimeltä aksioni voi vaikuttaa hiukkasten massoihin.

Cesiumiin liittyy SI-yksikköjärjestelmässä hauska yksityiskohta. Jos huomattaisiin, että sen atomien lähettämän valon taajuus pienenee ajan myötä, olisi väärin sanoa että cesium-atomit värähtelevät hitaammin. Tämä johtuu siitä, että ajan yksikkömme perustuu niiden värähtelyyn. Sen sijaan pitäisi sanoa, että aika kulkee hitaammin. Asioiden muutosta voi mitata vain suhteessa muihin asioihin: koska ei ole mitään atomikelloja tarkempaa, kaikkia muita tapahtumia mitataan suhteessa niihin.

Toistaiseksi QSNET ei ole nähnyt mitään muutosta. Tämä rajoittaa sitä, miten vahvasti joku tuntematon kenttä voi vaikuttaa tunnettuihin hiukkasiin ja miten nopeasti se voi muuttua. Tulokset perustuvat kahden viikon mittaukseen. Mittausjakson pidentäminen ja eri atomien ottaminen mukaan parantaa tarkkuutta lähivuosina kymmenentuhatkertaiseksi.

Pidemmän aikavälin muutoksia on luodattu Maassa Oklossa, missä oli kaksi miljardia vuotta sitten luonnollisesti syntynyt ydinreaktori, jonka reaktiotuotteita voidaan nyt tarkastella. Taivaalla muutosta on etsitty miljardien valovuosien päästä tulevan valon aallonpituudesta. Tällaisten mittausten tarkkuus jää kuitenkin kauas siitä, mikä laboratorio-olosuhteissa saavutetaan.

QSNETin koe on samaa hiukkasfysiikan halpalaaria, josta kirjoitin edellisessä merkinnässä, eli hinta mitataan miljoonissa. Toisaalta kokeella ei ole varmaa kohdetta, eli ei ole taetta, että mitään näkyy vaikka tarkkuus paranee. Voi sanoa, että tämä havainnollistaa sitä, miten hyvin ymmärrämme maailmankaikkeutta, ja miten suurella tarkkuudella hiukkasfysiikan Standardimalli ennustaa hyvin erilaisten havaintojen tuloksia. Tieteen edistys ei rakennu aiemman päälle kuin torni, vaan tieto muodostaa verkon, jossa yksi säie ei ratkaise, jonka osat tukevat toisiaan.

Naparetki

27.4.2023 klo 15.04, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Hiukkasfysiikan Standardimalli täyttää tänä vuonna 50 vuotta.  Vuonna 1973 Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa laittoivat paikalleen viimeisen teoreettisen palan ennustaessaan, että on olemassa top-kvarkki. Top löydettiin hiukkaskiihdytinlaboratorio Fermilabissa vuonna 1995. Sen jälkeen ainoa puuttuva kokeellinen osa oli Higgsin hiukkanen, joka löydettiin CERNissä vuonna 2012.

Seuraavaksi pitää mennä Standardimallin tuolle puolen. Pitkään hiukkaskiihdyttimet johtivat uuden fysiikan etsimistä, mutta viime aikoina niissä ei ole löytynyt uutta. Mielenkiinto siirtyy yhä enemmän maan alta taivaankannelle.

Yksi iso kysymys on se, miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antiainetta. Tämä epäsuhta on voinut syntyä Higgsin hiukkasen jäätyessä paikalleen maailmankaikkeuden täyttäessä sekunnin miljardisosan sadasosan. Jos näin on, niin vuonna 2037 laukaistavaksi kaavailtu kolmen satelliitin gravitaatioaalto-observatorio LISA saattaa nähdä tuossa mullistuksessa syntyneitä gravitaatioaaltoja.

Kalliiden kiihdytinten ja satelliittien lisäksi on edullisiakin vaihtoehtoja. Yksi esimerkki on pimeää ainetta etsivät kokeet, joiden hinta on miljoonia euroja miljardien sijaan. Samaan sarjaan menee neutronin sähköisen dipolimomentin mittaaminen.

Neutroni on hiukkanen, joka koostuu kolmesta kvarkista. Näiden kolmen kvarkin sähkövarausten summa on nolla, eli neutronilla kokonaisuutena ei ole sähkövarausta. Mutta koska kvarkit eivät ole jakautuneet tasaisesti neutronin sisällä, neutronin sisällä olevia varauksia on mahdollista havaita.

Tilanne on samanlainen kuin vetyatomissa, missä protonilla ja elektronilla on yhtä suuret mutta vastakkaismerkkiset varaukset. Mutta sen sisällä olevat varaukset vuorovaikuttavat ulkomaailman kanssa, koska elektronit ovat protonia ulompana.

Yksinkertaisin epätasaisesti jakautuneiden sähkövarausten vaikutus on nimeltään dipoli, suomeksi siis kaksinapainen. Kahden yhtä ison mutta vastakkaismerkkisen varauksen dipoli on sitä suurempi mitä isompia varaukset ovat ja mitä kauempana ne ovat toisistaan. Karkeasti sanottuna varausten välimatkaa isommalla etäisyydellä dipoli näyttää nollavaraukselta, mutta tarkemmin katsoessa huomaakin, että on sähkökenttä.

Neutronissa on kolme varausta, mutta idea on sama. Koska kvarkit poukkoilevat neutronissa ympäriinsä, odottaisi, että neutronin dipolimomentti olisi suunnilleen niiden varaus kertaa neutronin koko. Ensimmäinen mittaus neutronin dipolimomentista julkaistiin vuonna 1957. Kokeen herkkyys oli kymmenentuhatta kertaa niin iso kuin tuo arvioitu suuruus, mutta mitään ei havaittu. Tämän hetken tiukimman mittauksen on tehnyt nEDM-koeryhmä, joka julkisti tuloksensa toissavuonna. Kokeiden herkkyys on kasvanut 70 vuodessa miljoonakertaiseksi, mutta vieläkään dipolimomenttia ei ole näkynyt.

Tulos oli itse asiassa molemmilla kerroilla odotettu, mutta eri syistä. Alkuperäisen kokeen tekijät eivät kuuteen vuoteen edes julkaisseet mittauksiaan, koska 1950-luvun alussa yleisesti luultiin, että fysiikan lait eivät muutu jos maailman vaihtaa peilikuvakseen. Jos tämä pitää paikkansa, neutronin dipolimomentti on nolla, koska muuten se vaihtaisi suuntaa kun avaruuden peilaa, eivätkä maailma ja sen peilikuva näyttäisi samalta.

Vuonna 1956 kuitenkin osoitettiin kokeellisesti, että maailma ja sen peilikuva käyttäytyvät eri tavalla. Niinpä dipolimomenttikokeen tekijät katsoivat tuloksensa julkaisemisen arvoiseksi. Tämä on esimerkki siitä, miten teoreettiset ideat voivat vaikuttaa sekä haitallisesti että hyödyllisesti siihen, millaisia kokeita pidetään tekemisen arvoisina.

Nyt odotetaan teoreettisten laskujen nojalla, että neutronilla tosiaan on dipolimomentti. Miksi sitä ei ole löytynyt? Tämä on yksi Standardimallin teoreettinen ongelma: miksi neutronin dipolimomentti on niin pieni?

Dipolimomenttiin vaikuttaa Standardimallissa eniten yksi vuorovaikutus, ja tuota vuorovaikutusta on vaikea havaita millään muulla tapaa kuin dipolimomenttia mittaamalla. Niinpä dipolimomentin pienuuden voi selittää vain sanomalla, että tuo vuorovaikutus onkin ainakin kymmenen miljardia kertaa heikompi kuin mitä odottaisi. Tätä selittämään on kehitetty aksioneiksi nimetyt hiukkaset. Aksioneilla haluttiin aluksi vain säätää tuo vuorovaikutus pois, mutta niistä sittemmin tuli suosittu ehdokas pimeäksi aineeksi.

Jos tuon yhden vuorovaikutuksen painaa nollaksi tavalla tai toisella, jäljelle jäävä Standardimallin ennuste neutronin dipolimomentille on miljoona kertaa nykyistä herkkyyttä pienempi. Mittausten pitäisi siis parantua huomattavasti ennen kuin olisi mitään toivoa nähdä sitä. Tämä on erinomaista, koska se tarkoittaa, että dipolimomentti on siisti tapa mitata Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa.

Monissa mittauksissa, kuten pimeän aineen etsinnöissä, ongelmana on se, että monet asiat voivat tuottaa samanlaisen signaalin. Kun taivaalla näkyy röntgensäteitä, tulevatko pimeän aineen hajoamisesta vai hehkuvista atomiytimistä? Mitä heikompaa on tunnettujen lähteiden kohina, sitä helpompi on havaita tuntemattoman fysiikan signaali.

Mitä tuo tuntematon fysiikka neutronin dipolimomentin kohdalla sitten olisi? Tässä vaiheessa mukaan kuvaan tulee Kobayashin ja Maskawan työ. He ennustivat, että top-kvarkki pitää olla olemassa, jotta fysiikan lait olisivat erilaisia kun maailma muuttuu peilikuvakseen ja hiukkaset ja antihiukkaset vaihdetaan toisikseen. Tämä ehto on taasen edellytys sille, että saadaan aikaan havaittava aineen ja antiaineen epäsuhta. Standardimallissa tämä epäsuhta tosin sittemmin osoittautui liian pieneksi, eli tarvitaan uutta fysiikkaa. Uusi fysiikka, joka pystyisi saamaan aikaan aineen ja antiaineen epäsuhdan Higgsin jäätymisen aikoihin myös kasvattaisi neutronin dipolimomenttia.

Yksi esimerkki on supersymmetria. Supersymmetriset laajennukset Standardimalliin ennustivat ennen LHC:n käynnistymistä, että neutronin dipolimomentti on tyypillisesti noin sata kertaa nykyistä ylärajaa isompi. Mutta se, että LHC ei ole nähnyt supersymmetriaa laski neutronin dipolimomentin ennusteen ylärajan suunnilleen nykyisen kokeellisen ylärajan kohdalle. Tässä mielessä nEDM olisi voinut nähdä jotain, mutta ei ollut yllätys, että niin ei käynyt.

nEDM-ryhmä puuhaa jatkokoetta nimeltä n2EDM, jonka on määrä ruveta pian tekemään mittauksia. (Tässä aiheesta tehty videoteos.) n2EDM parantaa herkkyyttä tekijällä kymmenen. Myös muut kokeet mittaavat sekä neutronin että muiden hiukkasten sähköisiä dipolimomentteja yhä tarkemmin.

Ei ole syytä odottaa, että juuri n2EDM:n tekijän kymmenen parannus olisi ratkaiseva. Mutta jossain vaiheessa havaintojen herkkyys voi ylittää uuden fysiikan löytämiseen tarvittavan rajan, ja tämä voi tapahtua isoissa tai pienissä kokeissa. Tutkijat ovat retkikunta, joka etenee askel askeleelta, ja matka voi kulkea pitkään halki tyhjän maaston.

Vaikutusvaltaa

18.4.2023 klo 22.05, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Fysiikan tekemisen ja popularisoinnin välillä on iso kuilu. Tämä ei koske vain sitä, miten yksityiskohtaisesti puhutaan, vaan myös sitä, millä käsitteillä ajatellaan. Joistakin käsitteistä, jotka ovat fyysikoiden arjessa keskeisiä mainitaan popularisoinnissa vain harvoin.

Yksi tällainen käsite on vaikutus – englanniksi action, suomenkielisten fyysikkojen suussa yleensä aktio. Se on lyhyt, rivin tai parin mittainen, matemaattinen lauseke, joka määrittää teorian tiiviisti ja täsmällisesti. Vaikutus kertoo millaisia hiukkasia, kenttiä tai muita olioita teoria sisältää, millainen aika-avaruus siinä on, miten ne vuorovaikuttavat, ja mitä symmetrioita siinä on – kaiken mitä fyysikko tarvitsee. Vaikutus tarjoaa myös tien klassisesta fysiikasta kvanttifysiikkaan, ja sen avulla on ymmärretty klassinen fysiikan paremmin kvanttifysiikan rajatapauksena.

Lienee helpointa selittää esimerkin avulla, mistä vaikutuksessa on kysymys. Ajatellaan klassisen fysiikan hiukkasta, joka liikkuu avaruudessa vapaasti vuorovaikuttamatta minkään kanssa. Hiukkasella on liike-energia, joka on sitä isompi, mitä nopeammin se liikkuu. Tässä tapauksessa vaikutus saadaan, kun lasketaan yhteen liike-energia jokaisena ajanhetkenä.

Vaikutuksesta voidaan selvittää miten hiukkanen liikkuu. Erilaisiin liikkeisiin liittyy erilainen liike-energia, ja hiukkasen todellinen rata on sellainen, jolle vaikutus on mahdollisimman pieni. Jos hiukkanen ei ole vapaa, vaan vuorovaikuttaa toisten hiukkasten kanssa, niin vaikutus on liike-energia miinus vuorovaikutukseen liittyvä energia, laskettuna yhteen kaikkina ajanhetkinä. Hiukkasten radat saadaan taas selvittämällä, milloin vaikutus on mahdollisimman pieni.

Jokseenkin kaikilla fysikaalisilla järjestelmillä on vaikutus, joka kertoo millaisia ne ovat. James Maxwellin löytämän klassisen sähkömagnetismin vaikutuksen kirjoittaa paperille 30 sekunnissa. Siinä lasketaan yhteen sähkö- ja magneettikenttien arvoja ei vain kaikkina ajanhetkinä vaan myös kaikkialla avaruudessa, ja kentät käyttäytyvät siten, että tämä summa on pienin mahdollinen.

Vaikutuksen avulla on helppo esittää uusia teorioita: kestää 10 sekuntia kirjoittaa sähkömagnetismin vaikutukseen yksi termi lisää, joka muuttaa kenttien käytöstä. Vaikeampaa on keksiä, millaiset muutokset ovat kiinnostavia. Uudet hiukkasfysiikan teoriat määritellään juuri vaikutuksen avulla, ja Standardimallin vaikutukseen on tehty satoja erilaisia lisäyksiä, joista mitään ei ole saatu kokeellisesti varmennettua.

Vaikutus keksittiin 1700-luvulla, ja se osoittautui käteväksi laskemisen, viestinnän ja ajattelun välineeksi. Pitkään oli kuitenkin epäselvää, miksi tällainen liike-energian ja vuorovaikutusenergian erotuksen summaaminen kertoo jotain todellisuudesta. Lopulta kvanttimekaniikka selitti asian 1900-luvulla.

Kvanttimekaniikan mukaan hiukkasella ei ole määrättyä paikkaa, on vain todennäköisyys löytää se eri paikoista. Asian voi nähdä niin, että hiukkanen voi kulkea millä tahansa radalla, ja eri radoilla on eri todennäköisyys. Richard Feynman osoitti, että vaikutus kertoo kunkin radan todennäköisyyden. Mitä pienempi vaikutus, sitä todennäköisempi rata.

Kvanttifysiikan näkökulmasta kappaleet näyttävät siis liikkuvan klassisen fysiikan mukaisilla radoilla, koska sellaisten ratojen todennäköisyys on isoin. Ne voivat liikkua myös muilla radoilla, mutta mitä enemmän reitti poikkeaa klassisen fysiikan radasta, sitä pienempi on sen todennäköisyys. (Kvanttifysiikan ja klassisen fysiikan tarkka suhde on monimutkainen asia, jota ei ymmärretä tarkkaan.)

Kvanttimekaniikan muotoileminen uudelleen vaikutuksen avulla oli yksi Feynmanin merkittäviä saavutuksia. Se oli vaikutusvaltainen läpimurto, joka helpotti erilaisten järjestelmien –oli kyseessä hiukkanen tai sähkökenttä– kuvauksen yleistämistä klassisesta fysiikasta kvanttifysiikkaan.

Pitää vain kirjoittaa paperille klassisen fysiikan vaikutus, ja sen sijaan että poimittaisiin vain se hiukkasen rata tai kentän kehitys, jolla vaikutus on pienin, siitä lasketaan todennäköisyys kaikille radoille tai kentän kehityksille. Tämä oli avain ensimmäisen kvanttikenttäteorian, kvanttielektrodynamiikan, löytämiseen vuonna 1948.

Myös aika-avaruutta kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian voi esittää vaikutuksen avulla. Jos vaatii, että yksinkertaisin aika-avaruutta kuvaava vaikutus on mahdollisimman pieni, saa juuri ne yleisen suhteellisuusteorian lait, joiden mukaan aika-avaruus todella käyttäytyy.

Vaikka kvanttigravitaatioteoriaa ei ole vielä löydetty, vaikutuksen menestys vihjaa siihen, että yleisen suhteellisuusteoriankin taustalla on kvanttiteoria, jossa aika-avaruus ei ole määrätty, vaan se on sekoitus erilaisia mahdollisuuksia, joista yleisen suhteellisuusteorian mukainen aika-avaruus on todennäköisin.

Inhimillinen komedia

29.3.2023 klo 21.09, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Luin Gary Taubesin kirjan Nobel Dreams: Power, Deceit and the Ultimate Experiment. Kirja kertoo W– ja Z-bosonien löytämisestä tutkimuslaitos CERNissä vuonna 1983 ja sen jälkeen alkaneesta supersymmetriajahdista, joka jatkuu vielä neljä vuosikymmentä myöhemmin. Löytö oli tärkeä todiste hiukkasfysiikan Standardimallin puolesta, ja se palkittiin Nobelilla heti vuonna 1984.

Fysiikan teoriat ovat kirjassa sivuosassa. Taubes kuvailee hiukkasfysiikan sisältöä niin vähän kuin mahdollista. Hänen selityksensä ovat kevyitä, yksinkertaisia ja enimmäkseen oikein.

Taubes oli aiemmin kirjoittanut nyrkkeilystä lehtiin The Atlantic ja Playboy. Tämä näkyy hänen otteessaan. Kannessa siteerataan kirja-arvostelua, jona mukaan kirja kertoo tieteestä kertoessaan inhimillisestä komediasta. Sisältö lunastaa lupauksen, vaikka ennemmin sopisi ehkä puhua tragikomediasta.

Taubes vietti yhdeksän kuukautta CERNissä kokeellisten fyysikkojen parissa, tarkkaillen heitä läheisesti päivät ja yöt toistensa perään. Taubesin lähestymistapa on journalistinen, hän keskittyy ihmisiin ja antaa havaintojen puhua puolestaan. Syvälle meneviä sosiologisia huomioita Sharon Traweekin tapaan on turha odottaa.

Kirjan vahvuus on siinä että Taubes kirjoittaa läheltä seuraamastaan käytännöstä tarkkaan ja koristelematta. Kirja lähestyy aihetta yhden henkilön kautta. Tarinan päähenkilö on Carlo Rubbia, W– ja Z-bosonit löytäneen kokeen UA1 johtaja. Olen kuullut, että Rubbia oli toivonut Taubesin kirjoittavan itsestään ylistyksen tieteen suurmiehenä. Jos tämä on totta, hän tuskin oli tyytyväinen tulokseen.

Heti alkuun Taubes kuvailee kokeellista hiukkasfysiikkaa alana, jossa poliittinen suhmurointi, fyysinen kestokyky, raha ja sisu (engl. guts – ehkä ”muna” olisi tässä tarkempi suomennos) ovat yhtä tärkeitä kuin tieteellinen näkemys.

Taubes kirjoittaa, että ei pysty löytämään Rubbiasta pienintäkään vaatimattomuuden jälkeä. Taubes kuitenkin näyttää Rubbian hyvin inhimillisenä hahmona. Rubbia aloitti elektroniikkavirtuoosina, joka pursusi ideoita ja omaksui uusia teknologioita hämmästyttävän nopeasti. Hän hyppi kunnian perässä hankkeesta toiseen ja mantereelta toiselle, ja jätti kokeet puolitiehen (ja yhteistyökumppaninsa tyhjän päälle) kun ne eivät tuottaneetkaan toivottua tulosta.

Rubbia halusi menestyä niin kovasti, että julkaisi väitettyjä läpimurtoja joita data ei tukenut. Hän sai tieteilijöiden parissa maineen klovnina, joka väittää tänään yhtä ja huomenna jotain ties mitä. Rubbian lempimääritelmä asiantuntijalle on henkilö joka on jo tehnyt kaikki virheet, ja tällä mittarilla hänen asiantuntijuutensa oli kiistaton. Rubbia kuitenkin onnistui vakuuttamaan rahoittajat ja päättäjät siitä, että hän pystyy rakentamaan aivan uudenlaisen kiihdyttimen CERNiin ja löytämään W– ja Z-bosonit ennen ketään muuta.

Rubbian ideana oli muuttaa protoneita kiihdyttävä SPS-kiihdytin niin, että se kierrättää samaan aikaan antiprotoneita vastakkaiseen suuntaan ja törmäyttää niitä protoneihin. Hän myös halusi rakentaa kolmikerroksisen talon kokoisen, ennennäkemättömän kattavan ja monimutkaisen havaintolaitteen UA1 etsimään sotkuisista protoni-antiprotoni-törmäyksistä uusia hiukkasia.

Tutkijoiden suhtautumista Rubbian suuruudenhullun hankkeen mahdollisuuksiin kuvaa se, miten yksi CERNin teoreettinen fyysikko ehdotti kokeelle nimeä Colliding Rings for Antiproton Proton, eli CRAP. (Suomeksi ehkä Protoni-Antiprotoni-Syklinen-Koe-Apparaatti.)

Rubbian kunnianhimo ja kyky kerätä rahoitusta veti kuitenkin mukaan maailman parhaita kokeellisia hiukkasfyysikoita. Monet tutkijat, jotka olivat vannoneet etteivät enää koskaan työskentele Rubbian kanssa, koska tämä on niin epämiellyttävä ihminen, palasivat kehään.

Taubesin mukaan Rubbia luki kaiken hiukkaskiihdyttimiä käsittelevän kirjallisuuden ja sisäisti niiden toiminnan paremmin kuin ammattilaiset. Hän osasi ratkaista samalta istumalta havaintolaitteiden teknisiä ongelmia, joista oli juuri kuullut ja joihin alan parhaat tuntijat olivat jääneet jumiin.

Taubes kuvailee, miten Rubbian valttina oli se, että hän ajatteli nopeammin ja huusi kovempaa kuin kukaan muu. Rubbian johtamistyylistä onkin kirjassa paljon esimerkkejä, joita ei voi pitää kovin mairittelevina. UA1-ryhmän jäsenet työskentelivät 15 tuntia päivässä 7 päivää viikossa yli kuuden vuoden ajan. Ryhmän toinen johtohahmo Bernard Sadoulet sanoi Rubbialle saavansa enemmän aikaan työskentelemällä vain 10-11 tuntia joka päivä, ei 20 tuntia. Rubbian mielestä tämä oli laiskottelua, hän itse nukkui 4-5 tuntia vuorokaudessa ja työskenteli loput.

Kirjan tyyli on letkeä, kuvailu eloisaa ja kerronta imee mukaansa. CERNin 80-luvun tupakansavuiset huoneet ja kahvintäytteiset yöt tulevat tutuksi. Taubes ei epäröi toistella 80-luvun fyysikoiden rasvaisia juttuja, mutta nostaa myös esille naisfyysikoiden vahvan osuuden. Rubbialla oli tapana tytötellä, mutta hän tunnisti naisten asiantuntemuksen ja nosti heidät korkeaan asemaan, kunhan he eivät olleet liian itsenäisiä, vaan suhtautuivat häneen hyväntahtoisena isähahmona. Kirjan perusteella tämä ei kyllä juuri eroa siitä, mitä Rubbia vaati miehiltä.

Rubbia kohteli tarvittaessa dataa samalla piittaamattomuudella kuin fyysikoita. Rubbian tyyli esittää virheellisesti tulkittua dataa oli legendaarinen, ja tarvittaessa hän keksi omasta päästään koetuloksia väitteidensä tueksi.

Lopulta valvotut yöt, riitaiset kokoukset, jatkuvat deadlinet, häikäilemättömät petokset, toisten koeryhmien hakkerointi, ja uuden teknologian rakentaminen nopeammin kuin mitä moni piti mahdollisena tuotti tulosta. Rubbia onnistui. Kiihdytin toimi, havaintolaite UA1 toimi, koeryhmä toimi, ja vuonna 1983 W– ja Z-bosonit löytyivät.

CERNin johto hoiti julkisuuden taitavasti, ja vuonna 1984 Rubbialle myönnettiin Nobelin palkinto yhdessä Simon van der Meerin kanssa. van der Meer oli kehittänyt ratkaisevan teknologian, jolla kerättiin tarpeeksi antiprotoneita. Kun kiihdyttimen idea oli aikoinaan esitelty Yhdysvalloissa kiihdytinlaboratorio Fermilabissa, yleisö oli nauranut ja huutanut pilkkaavasti ”mistä saatte antiprotoneita – toisesta galaksistako?”. Niinpä Fermilabilta meni löytö sivu suun, ja CERN sai ensimmäisen Nobelin palkintonsa. Yhdysvalloissa hiukkasfysiikan kokeita ei tuolloin myöskään juuri rahoitettu, kun taas CERNillä oli kosolti rahaa.

Vain muutamaa vuotta aiemmin yhdysvaltalaisia hiukkasfyysikkoja tutkinut antropologi Sharon Traweek oli pannut merkille, miten he eivät voineet ajatellakaan, että Yhdysvallat ei olisi aina alan johdossa. Nyt kruunu siirtyi Eurooppaan.

Alle kaksi viikkoa sen jälkeen kun W ja Z löydettiin Yhdysvalloissa reagoitiin tappioon päättämällä rakentaa Superconducting Supercolliderin (SSC), josta oli määrä tulla historian isoin ja korkeaenergisin kiihdytin. Jos Yhdysvallat oli 60-luvulla kisannut Neuvostoliiton kanssa kuumatkasta, 80-luvulla kilpailijana oli Eurooppa ja tantereena hiukkasfysiikka. CERN vastasi SSC:hen päättämällä rakentaa Large Hadron Colliderin (LHC). Lopulta SSC peruttiin vuonna 1993, ja LHC aloitti toiminnan 2008, noin 15 vuotta alkuperäisestä aikataulusta jäljessä. Rubbian UA1 oli tulevien suurprojektien malli, ja CERN säilytti paikkansa maailman johtavana hiukkasfysiikan laboratoriona.

Taubesin kolmen näytöksen moraalinäytelmässä (ehkä Hollywoodin nyrkkeilyelokuva olisi lähempi vertailukohta) Nobelin palkinto on Rubbian huippukohta. Sen jälkeen on vuorossa sarjan epäonnistuminen-menestys-rappio kolmas osa. Rubbia oli pelannut uhkapeliä ja voittanut, ja hän jatkoi kovilla panoksilla: nyt kohteena olivat skvarkit ja muut supersymmetriset hiukkaset. Ollessani CERNissä 20 vuotta myöhemmin tälle vieläkin naureskeltiin: ”Rubbia on löytänyt skvarkit – kysy vain häneltä!”.

On yllättävää, miten epäillen supersymmetriaan aluksi suhtauduttiin. Kun LHC käynnistyi 2008, supersymmetria oli sitä vastoin noussut keskeiseksi uuden fysiikan vaihtoehdoksi – vaikka siitä ei ollut 25 vuoden aikana näkynyt jälkeäkään.

Idealla oli omat vakaumukselliset tai opportunistiset kannattajansa jo varhain. Kirjassa yksi esimerkki edellisistä on John Ellis, jonka Taubes kastaa supersymmetrian evankeliumin profeetaksi (Ellis lienee tästä imarreltu). Hän löi jo vuonna 1983 vetoa, että supersymmetria löytyy heinäkuuhun mennessä. Vaikka näin ei käynyt, supersäieteorian nousu vuonna 1984 antoi idealle nostetta.

On hauska huomata muitakin tuttuja hahmoja. Ylimielinen teoreetikko Alvaro De Rújula kuulostaa aivan itseltään nauraessaan supersymmetrialle, sitten hypätessään sen kelkkaan, ja lopulta jättäessään sen taakseen ennen monia muita. Erityisen vakavana näyttäytyy Jack Steinberger, joka oli Rubbian ohjaaja ja yhteistyökumppani, ja myöhemmin ampui alas tämän perättömiä väitteitä. Toisin kuin moni muu, hän pitäytyi päätöksessään olla enää työskentelemättä Rubbian kanssa.

Kirjasta hieman loppuu puhti Taubesin seuratessa päivä päivältä miten UA1-ryhmä jatkaa hurjaa tahtia supersymmetrian perässä. Yksi Nobel ei ollut tarpeeksi, Rubbia halusi voittaa niin paljon, että näki datassa jotain mitä ei ole olemassa, ja väitti ryhmän tehneen löydön.

Rubbia oli kuitenkin haalinut kokeeseen kriittisiä ja omanarvontuntoisia tutkijoita, ja kokoonpanon vaihtuvuus takasi sen, että ulkopuolinen kritiikki siirtyi kokeen sisälle. Itsevaltiaan ote lipsui, kun tutkijat eivät suostuneet vastoin näyttöä tukemaan hänen väitteitään, eivätkä lähimmätkään yhteistyökumppanit pysyneet hänen puolellaan. Rubbiasta tosin tuli kirjan julkaisemisen jälkeen vuonna 1989 CERNin johtaja, että yhteisöllisesti hän kyllä menestyi.

Taubes maalaa tunnistettavan kuvan CERNin epämuodollisesta kulttuurista räävittömine joulunäytelmineen, missä estotta pilkataan arvostetuimpien tutkijoiden rakkaimpia ideoita ja surkeimpia floppeja. Taubes ei romantisoi tieteen tekemistä, ja antaa lukijan vetää omat johtopäätöksensä.

Nykyään työkulttuuri on erilainen ja data-analyysit ovat huolellisempia. Toisaalta ilmiöt ovat monimutkaisempia ja kokeita tehdään enemmän, joten mahdollisuus tilastollisille sattumille on isompi. Kokeiden OPERA ja BICEP2 esimerkki osoittaa, että kiihdytinten ulkopuolella kunnianhimo vie tutkijoita vieläkin harhaan.

Kirja monelta osin näyttää, miten tieteen tekeminen on joskus kaukana ihanteesta, ja miten tutkimusta tehdessä on epävarmaa mikä toimii ja ketkä jäävät tyhjin käsin. Samalla Taubesin kertomus kuitenkin osoittaa, että tiedeyhteisön kriittinen lähestymistapa toimii: signaali suodatetaan kohinasta, ja oikeat tulokset erotetaan vääristä.

Schrödingerin raketti

21.3.2023 klo 22.57, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Toisinaan kysytään, miksi pitäisi löytää teoria, joka yhdistää yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan, viimeksi edellisen merkinnän kommenteissa. Syy on se, että teoriat ovat ristiriidassa keskenään.

Kvanttifysiikassa hiukkaset (ja siten kaikki aine) ovat epämääräisiä. Tämä tarkoittaa sitä, että hiukkasella ei ole tiettyä paikkaa, on vain todennäköisyysjakauma sille, mistä hiukkanen löytyy.

Tunnettu esimerkki on Erwin Shrödingerin ajatuskoe kissasta, joka on suljettu laatikkoon myrkkykapselin kanssa. Jos kapselin vieressä oleva radioaktiivinen hiukkanen hajoaa, kapseli rikkoutuu ja kissa kuolee. Hiukkasen hajoamista kuvaa kvanttifysiikka: hiukkanen ei ole hajonnut eikä ollut hajoamatta, on vain todennäköisyys sille, että se olisi hajonnut. Niinpä kissakaan ei ole elossa eikä kuollut, vaan sillä on todennäköisyys kumpaankin.

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaation lähteenä toimii aine. Jos aineen tila on epämääräinen, siten myös gravitaatio on epämääräinen. Yleisessä suhteellisuusteoriassa kuitenkin sekä aine että gravitaatio eivät ole epämääräisiä vaan määrättyjä, kuten Newtonin klassisessa mekaniikassa.

Yksi yritys ratkoa tätä gravitaation ja kvanttifysiikan ristiriitaa tunnetaan nimellä semiklassinen gravitaatio.  Sana semiklassinen viittaa siihen, että ainetta tarkastellaan kvanttimekaanisesti mutta aika-avaruutta ei. Gravitaation lähteenä ei ole suoraan aineen ominaisuudet (jotka ovat epämääräisiä), vaan keskiarvo aineen ominaisuuksien todennäköisyysjakaumasta. Asiaa voi havainnollistaa raketilla.

Ajatellaan avaruudessa kulkevaa rakettia, jonka ohjaamossa on radioaktiivinen hiukkanen. Kun hiukkanen hajoaa, siitä lähtevä valo menee 50% todennäköisyydellä oikealle ja 50% todennäköisyydellä vasemmalle. Jos ohjausjärjestelmä on kytketty siten, että se kääntää raketin sen mukaan minne hajoamisessa syntyvä valo menee, niin raketin rata on epämääräinen kuin kissan elämä. Myös raketin synnyttämä gravitaatiokenttä on epämääräinen: se on 50% todennäköisyydellä kallellaan vasemmalle ja 50% todennäköisyydellä oikealle.

Tässä tapauksessa keskiarvo on hyvin erilainen kuin mikään toteutunut vaihtoehto. Keskiarvo on se, että raketti menee suoraan, mutta kun raketti havaitaan, se löytyy joko oikealta tai vasemmalta. Vastaako gravitaatio keskiarvoa vai näkemäämme vaihtoehtoa? Vuonna 1981 Don Page ja Charles Don Geilker testasivat asiaa kokeellisesti.

Page ja Geilker rakensivat systeemin, joka synnyttää satunnaislukuja kvanttimekaanisesti, sijoittivat kappaleita lukujen mukaan, ja mittasivat kappaleiden gravitaatiota. Tuloksena oli, että gravitaatio vastasi vain havaittua vaihtoehtoa, ei vaihtoehtojen keskiarvoa. He päättelivät, että semiklassinen gravitaatio ei kuvaa todellisuutta, vaan gravitaatiota pitää käsitellä kvanttifysikaalisesti.

Tutkimuksen heikko kohta on se, että Page ja Geilker olettivat, että kaikki vaihtoehdot toteutuvat, vaikka näemme vain yhden. Tämä tunnetaan kvanttimekaniikan monimaailmatulkintana. Ei tiedetä onko tulkinta oikein: se miten kvanttimekaniikan todennäköisyydet pitäisi ymmärtää on yksi fysiikan isoimpia avoimia kysymyksiä (lisää aiheesta täällä, täällä ja täällä).

Voi olla, että monimaailmatulkinta on väärin, ja näkemämme vaihtoehto on ainoa mikä toteutuu: kun systeemiä havaitaan, todennäköisyys tiivistyy sen ympärille. Tätä kutsutaan romahdukseksi. Silloin Pagen ja Geilkerin kokeessa satunnaislukugeneraattori tuottaa vain yhden tuloksen, jonka mukaan massat asetetaan vain yhteen paikkaan. Ei ole toista maailmaa, jossa Page ja Geilker pistävätkin ne eri asentoon. Tässä tapauksessa mittaus ei kerro semiklassisesta gravitaatiosta mitään, tarvitaan erilainen koe.

Jos vain yksi vaihtoehto toteutuu, niin todennäköisyysjakauma muuttuu äkillisesti romahduksessa. Ensin raketti on keskimäärin keskellä, mutta kun todennäköisyys tiivistyy, keskiarvo hyppää nopeasti joko oikealle tai vasemmalle. Jos kaikki vaihtoehdot ovat kaukana keskiarvosta, kuten raketin tapauksessa, muutos gravitaatiokentässä on iso.

Nykyään laboratoriossa osataan tehdä kvanttisysteemejä, joissa on kaksi vaihtoehtoa, jotka ovat kaukana toisistaan.  Esimerkiksi valonsäde voidaan lähettää siten, että sillä on 50% todennäköisyys mennä jommastakummasta putkesta, joiden väli on yli puoli metriä. Jos pystyttäisiin seuraamaan valon aiheuttamaa gravitaatiota, voitaisiin katsoa muuttuuko se valon tilan romahtaessa ja keskiarvon siirtyessä keskeltä toiseen putkeen.

Ajatuskokeen rakettiin verrattuna tämän todellisen koejärjestelyn ongelma on se, että valonsäteen gravitaatio on erittäin heikko, koska siinä on niin vähän energiaa. Rakettia –tai edes Pagen ja Geilkerin käyttämiä puolentoista kilon painoja– on taasen vaikea eristää ympäristöstä niin, että todennäköisyys ei heti romahtaisi. On ehdotettu kokeita, missä saadaan kompromissi ison massan ja hyvän eristyksen välillä. Toistaiseksi teknologia ei ole riittänyt niiden toteuttamiseen.

Idea on kuitenkin kiinnostava esimerkki siitä, miten kvanttifysiikan ja gravitaation yhdistäminen voi liittyä kvanttimekaniikan todennäköisyyden ymmärtämiseen. Yleensä niitä käsitellään erillisinä ongelmina.

Toistaiseksi ainoa fysiikan osa-alue, missä minkäänlaisen kvanttigravitaation ennusteita on onnistuneesti testattu ja saatu uutta tietoa on kosminen inflaatio. Siinä ei käytetä semiklassista gravitaatiota. Sen sijaan sekä aineen että aika-avaruuden pieniä epätasaisuuksia käsitellään kvanttifysikaalisesti. Näiden epätasaisuuksien kvanttivärähtelyistä syntyvät rakenteen siemenet, jotka näkyvät nykyään galaksien jakaumassa ja kosmisessa mikroaaltotaustassa. Vielä ei kuitenkaan ole nähty suoria merkkejä siitä, että rakenteen siemenet ovat todella syntyneet kvanttifysikaalisesti, ja gravitaation ja kvanttifysiikan tutkiminen eri näkökulmista saattaa tuottaa yllätyksiä.

Mikä menee pieleen

28.2.2023 klo 11.54, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Edellisessä merkinnässä kirjoitin siitä, että fyysikot eivät usein viitsi ruveta julkisesti arvostelemaan väärinä pitämiään ideoita. Poikkeuksiakin on. Kommenteissa minulta kysyttiin teoreetikko Sabine Hossenfelderin videosta What’s Going Wrong in Particle Physics? (This is why I lost faith in science.). Koska Hossenfelderista on tullut näkyvä hiukkasfysiikan kriitikko, voi olla aiheellista kommentoida missä hänen arvostelunsa osuu oikeaan ja miten se menee harhaan.

Hossenfelderin mukaan hiukkasfysiikka ei enää ole tiedettä, ja hän vertaa hiukkasfyysikoita nigerialaisten huijauskirjeiden lähettäjiin. Hossenfelder on vuosia arvostellut hiukkasfysiikkaa, ja hän on kirjoittanut aiheesta kirjan Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray.

Hossenfelderin mukaan hiukkasfysiikka alkoi mennä raiteilta 1970-luvulla, kun Standardimalli oli saatu kasaan. Sen jälkeen hiukkasfyysikot ehdottivat Standardimallin laajentamista supersymmetrialla, suurella yhtenäisteorialla, aksioneilla ja muilla teoreettisilla ideoilla, kuten oikeakätisillä neutriinoilla ja toisilla pimeän aineen ehdokkailla.

Sittemmin Standardimalli on 50 vuoden ajan kuvannut oikein kaikkia hiukkaskiihdyttimissä tehtyjä kokeita. Koska laajennusten ennustamia uusia hiukkasia ei ole löytynyt, Hossenfelder vertaa niitä isojalkaan, pohjoisamerikkalaisen kansanperinteen kuvitteelliseen eläimeen, jonka olemassaoloa on yritetty todistaa erilaisilla huijauksilla.

Hossenfelder sanoo, että hiukkasfyysikot eivät opi virheistään: kun kokeet osoittavat jonkun hiukkasfysiikan mallin ennusteet vääriksi, he vain muuttavat mallia siten, että sen ennusteet ovat juuri nykyisten kokeiden ulottumattomissa, mutta seuraavien tavoitettavissa.

Hänen mukaansa syy hiukkasfysiikan surkeaan tilaan on se, että hiukkasfyysikot yrittävät ratkaista ongelmia, jotka eivät oikeasti ole ongelmia. Hossenfelder listaa videossa ja blogissaan, mitkä ongelmat ovat hänen mielestään oikeita ja mitkä keksittyjä. Hossenfelderin mukaan fysiikassa tapahtuu edistystä ainoastaan kahta reittiä: joko teoria ja havainnot ovat ristiriidassa, tai teoriassa on sisäinen ristiriita. Vain ristiriitojen tutkiminen vie tiedettä eteenpäin.

Hossenfelder on oikeassa, että hiukkasfyysikot tuottavat paljon malleja, joiden ainoa motivaatio on se, että niitä voidaan testata lähitulevaisuuden kokeissa. Samoja malleja käytetään sitten osoituksena siitä, että noilla kokeilla on kiinnostavaa tutkittavaa, mikä on harhaanjohtavaa mainontaa. On myös totta, että hiukkasfysiikka on kriisissä koska CERNin Large Hadron Collider (LHC) ei ole nähnyt merkkiäkään Standardimallin tuonpuoleisesta fysiikasta, eivätkä fyysikot ole aina reagoineet tähän rehellisesti. Olen esimerkiksi kuullut erään hyvin tunnetun tutkijan puolustautuvan väittämällä, että LHC:n ei odotettukaan näkevän mitään uutta, mikä on räikeää historian vääristelyä.

Hossenfelder kuitenkin pistää ideoita kasaan liian suurella lapiolla, eivätkä hänen sääntönsä siitä, miten tiedettä pitäisi tehdä vastaa sitä, miten tiede on todellisuudessa edistynyt. (Ennen LHC:n käynnistymistä Hossenfelder esitti, että LHC ei löydä edes Higgsin hiukkasta.)

Kun Standardimalli 1970-luvulla kehitettiin, oli erilaisia ideoita siitä, millaisia hiukkasia ja vuorovaikutuksia on olemassa. Etukäteen ei tiedetty, että juuri sittemmin Standardimallina tunnetuksi tullut teoria olisi oikea, tai että sen pätevyysalue on niin laaja. Ei siis ollut syytä olla esittämättä vaihtoehtoja ja laajennuksia.

Hossenfelder niputtaa yhteen eri laajennukset, mutta esimerkiksi pimeän aineen ja supersymmetrian tilanne on hyvin erilainen. Supersymmetria on teoreettinen idea, jolle ei ole löytynyt tukea havainnoista. Pimeä aine on havaintoihin perustuva idea, joka on 90 vuotta selittänyt ja ennustanut lukuisia havaintoja.

Hossenfelder on monissa yhteyksissä arvostellut pimeää ainetta, ja hänen mukaansa havainnot voisi yhtä hyvin selittää muuttamalla gravitaatiolakia. Kukaan ei kuitenkaan ole pystynyt esittämään tällaista teoriaa, joka selittäisi kaikki havainnot, jotka pimeä aine selittää, saati ennustaisi oikein uusia havaintoja. Hänen mukaansa on myös turha tutkia teoreettisia pimeän aineen malleja, koska havaintojen selittämiseksi ei tarvitse tietää millainen hiukkanen on kyseessä.

Fysiikan tavoitteena ei kuitenkaan ole vain selittää havaintoja, vaan käyttää havaintoja apuna maailman ymmärtämiseen. On aiheellista arvostella (kuten olen itsekin tehnyt) sitä, että vaikka pimeän aineen hiukkasiksi ehdotettuja nynnyjä ei ole nähty kokeissa kuten olisi pitänyt, ei ole silti todettu, että idea oli väärin. Mutta on muita kelpoisia pimeän aineen ehdokkaita, esimerkiksi oikeakätiset neutriinot. Kun havainnot osoittavat, että on olemassa uusia hiukkasia (tai mustia aukkoja), on mielekästä tutkia, mitä ne voivat olla ja miten niitä voisi havaita.

Hossenfelder arvostelee kokeiden perustelemista sillä, että ne saattavat löytää jotain odottamatonta, koska hänen mukaansa niin ei tapahdu. Tämä ei ole totta. Fysiikan historiassa on lukuisia esimerkkejä siitä, miten kokeet ovat tuottaneet tärkeää tietoa asioista, mitä niitä ei ole suunniteltu tutkimaan.

Hyvä esimerkki on Hossenfelderin arvostelemien suurten yhtenäisteorioiden etsiminen. Niiden ennustaman protonin hajoamisen havaitsemiseksi rakennettiin kokeet Kamiokande ja Super-Kamiokande. Kokeet eivät nähneet protonin hajoamista, mutta niiden havainnot neutriinoista olivat keskeisiä sen osoittamisessa, että neutriinoilla on massa. Neutriinoiden massat olivat ensimmäinen Maan päällä havaittu todiste fysiikasta Standardimallin tuolta puolen, ja niistä on myönnetty kaksi Nobelin palkintoa.

Kokeen lisäksi myös neutriinoiden massojen teoreettinen pohdinta olisi Hossenfelderin kriteereillä ollut turhaa, koska niitä ei ennen Kamiokanden ja Super-Kamiokanden havaintoja tarvittu ratkaisemaan mitään selvää ristiriitaa. Todellisuudessa neutriinojen massojen teorian tunteminen etukäteen oli avain kokeen tulosten ymmärtämiseen.

Myös teoreettisella puolella edistystä on saatu myös keskittymällä asioihin, jotka eivät ole ristiriitoja. Yksi esimerkki on yleisen suhteellisuusteorian löytäminen 1900-luvun alkupuolella. Tutkimuksen ongelmana oli kyllä se, että Newtonin gravitaatioteoria ja suppea suhteellisuusteoria ovat ristiriidassa keskenään. Ratkaisu kuitenkin löytyi keskittymällä asioihin, jotka eivät ole ristiriitoja.

Yksinkertaisin tapa rakentaa suhteellisuusteorian kanssa sopusoinnussa oleva gravitaatioteoria on ottaa mukaan gravitaatiota kuvaava kenttä, samaan tapaan kuin sähkömagnetismia kuvaa sähkömagneettinen kenttä. Suomalainen fyysikko Gunnar Nordström ensimmäisenä ehdottikin tällaista teoriaa, joka kuitenkin osoittautui vääräksi. Sen sijaan Albert Einstein pääsi oikealle reitille yrittämällä ratkaista sen, miksi kaikki kappaleet putoavat samaa tahtia. Hossenfelderin kriteereillä tätä ei olisi pitänyt miettiä, koska siihen ei liity ristiriitaa.

Hossenfelder on tietoinen siitä, että tiede on edistynyt muutenkin kuin ristiriitojen kautta. Hän mainitsee esimerkkinä sen, että charm-kvarkin olemassaolo ennustettiin symmetrian ja kauneuden perusteella. Hän kuitenkin toteaa, että koska myöhemmin ymmärrettiin, että teorian matemaattinen rakenne vaatii charmin olemassaoloa, kyse oli ristiriidan ratkaisemisesta.

Tällainen argumentointi on ristiriidassa sen kanssa, että tarkoituksena on arvioida, millainen työ johtaa edistykseen. On mahdollista, että lopulta osoittautuu, että kaiken teorian mukaan oikeiden fysiikan teorioiden kaikki piirteet ovat välttämättömiä. Tämä ei kuitenkaan kerro mitään siitä, millä tavalla noita piirteitä kannattaa etsiä ennen kuin teoria on kädessä.

Olen aiemmin maininnut kosmisen inflaation esimerkkinä siitä, miten empiirisyydessä on kyse laajemmasta asiasta kuin ennustusten vertaamisesta havaintoihin. Hossenfelder listaa blogimerkinnässään kaksi kosmisen inflaation löytämiseen johtanutta ongelmaa esimerkkeinä asioista, joita ei kannata miettiä. Tämä havainnollistaa hänen lähestymistapansa puutteita.

Inflaatio on ollut hiukkasfysiikan hedelmällisin alue 1980-luvulta alkaen, ja tuonut sen yhteen kosmologian kanssa. Inflaatio on ennustanut havaintoja erinomaisesti ja johtanut teoreettiseen kehitykseen. Sen kautta on ensimmäistä kertaa onnistuneesti kokeellisesti testattu yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan yhteisiä ennusteita eli kvanttigravitaatiota. On muitakin hiukkasfysiikan alueita, kuten neutronitähtien rakenteen tutkiminen, joissa teoria ja havainnot ovat edistyneet yhdessä.

On tervettä että hiukkasfysiikan, kuten minkä tahansa tieteenalan, käytäntöjä arvostellaan yksittäistä artikkelia tai tutkimussuuntaa laajemmasta näkökulmasta, ja Hossenfelderin jotkut huomiot hiukkasfyysikoiden yhteisön ongelmista pitävät paikkansa. Hiukkasfysiikan ongelmat näkyvät siinäkin, että viiden vuoden kuluttua käynnistyvän LHC:n päivityksen HL-LHC jälkeisistä kiihdyttimistä ei ole tehty vielä päätöksiä. Muotivirtauksilla on myös hiukkasfysiikassa turhan iso merkitys, ja alan kauneuskäsityksiä on syytä arvioida uudelleen, kuten tapahtuukin.

Ei kuitenkaan ole taattua reseptiä siitä, mikä on hedelmällisin tapa tehdä tutkimusta. Tieteenfilosofit ovat tutkineet asiaa, ja Imre Lakatoksen jako edistyviin ja degeneroituviin tutkimusohjelmiin on hyödyllinen hiukkasfysiikankin osalta. Se ei kuitenkaan anna yksiselitteisiä vastauksia, ja edistys tulee usein yllättävistä suunnista.

Oletetusti väärin

17.2.2023 klo 18.56, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kollegani ja ystäväni Will Kinney Buffalon yliopistosta mainitsi hiljattain seikan joka on fyysikoille (ainakin teoreettisille hiukkasfyysikoille ja kosmologeille) selvä, mutta saattaa tulla muille yllätyksenä: tutustuessaan kollegoidensa työhön fyysikot lähtevät usein siitä oletuksesta, että se on väärin.

Tähän kyseenalaistamisen kulttuuriin kuuluu toisaalta sekin, että voi nopeasti muuttaa kantaansa ilman että sitä pidetään nolona. Koska tutkimuksen matemaattinen paikkansapitävyys ei riipu kenenkään mielipiteistä, tämä on myös oppimisen menetelmä, jolla voi vakuuttaa itsensä siitä, että asia jota pitää vääränä onkin oikein – tai löytää sen heikot kohdat.

Suhtautumistapaan liittyy se, että vaikka teoreetikot voivat arvostella toisten ideoita voimakkaasti niihin törmätessään, he eivät tyypillisesti katso tarpeelliseksi ruveta erikseen kumoamaan virheellisinä pitämiään tutkimuksia. Yleensä niihin viitataan lähinnä kintaalla.

Koetulosten kohdalla suhtautuminen on toinen: jos joku raportoi havainnosta, joka osoittaa uuden teorian oikeaksi, väitteen oikeellisuutta ruoditaan tarkkaan. Takana on sama syy kuin ylimalkaisuudessa teoreettisten väitteiden suhteen: havainnot lopulta osoittavat, mitkä teoreettiset ideat ovat oikein ja mitkä eivät. Havaintotulosten suhteen pitää siis olla huolellinen, mutta teoreettisten ideoiden heittelemisestä ei ole suurta haittaa.

Teoreettisilla fyysikoilla on laaja vapaus valita aiheensa, vaikka rahoitusjärjestelmä rajoittaakin tutkimusta yhä enemmän. Hajanainen eri suuntiin vaeltaminen on historiallisesti tuottanut merkittäviä läpimurtoja, vaikka suurin osa reiteistä päätyykin umpikujaan. Kuten filosofi Ludwig Wittgenstein on todennut: jos ihmiset eivät ikinä tekisi typeriä asioita, mitään älykästä ei koskaan tulisi tehtyä.

Fysiikan historiattomuus pelastaa paljon. Oikeat teoriat sisältävät edeltäjänsä, eikä vääriin tarvitse koskaan palata. Tämän onnellisen seikan haittapuoli on se että, antropologi Sharon Traweekin sanoin, fyysikoiden käsitys alansa historiasta on lyhyt hagiografia ja lista ihmeitä. Tilanne on erilainen kuin ihmistieteissä, missä uusi tutkimus ei syrjäytä aiempaa, vaan menneisyys kulkee uuden tiedon rinnalla.

Ymmärryksen puute siitä, että teoreettisilla fyysikoilla on paljon ideoita, joista vain pieni osa osoittautuu oikeaksi, voi merkittävästi vääristää tiedeuutisten välittämää kuvaa tieteestä. Ongelmaa korostaa se, että suurin osa fyysikoista ei koe tarpeelliseksi julkisesti arvostella virheitä, jotka aika kuitenkin pian hautaa.

Vaikuttaa myös siltä, että jotkut toimittajat luulevat, että kaikki vertaisarvioidut tieteelliset artikkelit pitävät paikkansa. Vertaisarviointi karsii kuitenkin korkeintaan ilmeiset virheet – eikä aina edes niitä. Joka päivä ilmestyy kymmeniä kosmologian artikkeleita, ja niiden laatu on hyvin vaihteleva.

Toissapäivänä muun muassa New Scientist ja The Guardian uutisoivat tutkimuksesta, jonka mukaan mustat aukot selittävät pimeän energian, eli sen miksi maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy. Lukemistani jutuista vähiten huono oli Guardianissa, missä oli mukana kommentit tutkimusryhmän ulkopuoliselta fyysikolta, joka heitti kylmää vettä poskettomille väitteille. Tämä ei kuitenkaan pelasta sitä, että ei ollut mitään syytä tehdä uutista alun perinkään, koska tutkimuksen väitteet ovat villiä spekulaatiota ilman kunnollista matemaattista tai fysikaalista pohjaa. Tekniikan Maailman mukaan on kuitenkin peräti saatu ”todisteita” siitä, että ”pimeää energiaa syntyy mustissa aukoissa”.

Olen monesti (täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä) kirjoittanut tiedeuutisoinnin ongelmista. Niitä on varmaan kaikissa suomalaisissa tiedotusvälineissä, joka kirjoittavat tieteestä yleistajuisesti – vähiten julkaisuissa, jotka ovat tiedeyhteisöä lähellä, kuten Yliopisto-lehdessä. Tällä kertaa on kuitenkin syytä kehua joskus arvostelemiani Helsingin Sanomia ja Yleä siitä, miten ne ovat uutisoineet tästä tutkimuksesta, eli eivät mitenkään.

---

Palikkatesti

30.1.2023 klo 22.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin viime kuussa siitä, miten Gerardus ‘t Hooft ja Martinus J. G. Veltman vuonna 1971 osoittivat, että hiukkasfysiikan Standardimallissa on vain äärellinen määrä erilaisia vuorovaikutuksia hiukkasten välillä. Tämän läpimurron takia Standardimallista voi luotettavasti ennustaa havaintoja ilman lisäoletuksia.

Standardimalli kuvaa kaikkea tunnettua fysiikkaa gravitaatiota lukuun ottamatta, joten tulos oli hyvin merkittävä. Todistuksessa käytetty menetelmä, renormalisaatio, on myös suuresti johdattanut hiukkasfysiikkaa vuosikymmenien ajan, mutta ei aina hedelmälliseen suuntaan.

Kun kvanttikenttäteoriaa lähdetään rakentamaan, siinä on yleensä vain pieni määrä erilaisia vuorovaikutuksia kenttien välillä. Esimerkiksi sähkömagnetismin tapauksessa niitä on vain yksi: sellainen missä elektroni lähettää fotonin.

Erilaisia tapahtumia voidaan selittää kasaamalla yhdestä palikasta isompia kokonaisuuksia. Jos sen kääntää ajassa ympäri, niin saa vuorovaikutuksen, missä elektroni vastaanottaa fotonin. Jos tämän laittaa yhteen edellisen palikan kanssa, tuloksena on tapahtuma, missä elektronit vuorovaikuttavat toistensa kanssa vaihtamalla fotonin. Tämä kuvaa sitä, miten sähkövaraukset hylkivät toisiaan. Laittamalla samat kaksi palikkaa hieman eri järjestykseen saa tapahtuman, missä elektroni ja sen antihiukkanen positroni annihiloituvat, eli häviävät ja synnyttävät kaksi fotonia.

Sähkövarausten hylkiminen ja aineen ja antiaineen annihilaatio vaikuttavat aivan erilaisilta ilmiöiltä, mutta kvanttikenttäteoriassa ne ovat samanlaisia yksinkertaisia seurauksia sähkömagnetismin perusvuorovaikutuksesta.

Mitä tarkemmin kvanttiefektejä laskee, sitä useampia uudenlaiselta näyttäviä palikoita ne tuovat mukaan teoriaan. Jos teoria on renormalisoituva, nämä kaikki vuorovaikutukset voidaan kuitenkin esittää alkuperäisten palikkojen avulla.

Esimerkiksi sähkömagnetismissa alkuperäinen vuorovaikutus, missä elektroni lähettää fotonin, näyttää yksinkertaiselta vain jos sitä katsoo karkeasti. Syvemmälle syynätessä näkyy, että karkeampi kuva koostuu pienemmistä osasista, joissa on sitä enemmän palikoita mitä tarkemmin katsoo. Elektronin sähkövaraus (eli se, miten vahvasti se kytkeytyy fotoniin) riippuu fotonin energiasta, mutta vuorovaikutus säilyy muuten samanlaisena. Renormalisoituvassa teoriassa tarkemmat laskut paljastavat vain hienompaa rakennetta alkuperäisissä vuorovaikutuksissa, eivät tuo mukaan muuta uutta.

Kvanttikorjauksissa kaikki kentät vuorovaikuttavat toisiinsa. Standardimallissa Higgsin hiukkasen (ja vain Higgsin hiukkasen) massa on herkkä näille kvanttikorjauksille. Niiden kautta isomassaiset hiukkaset tekevät myös Higgsistä raskaan: Higgsin massa on suunnilleen yhtä iso kuin raskaimman hiukkasen massa.

Standardimallissa näin on. Higgs on suunnilleen yhtä raskas kuin top-kvarkki, raskain tunnettu hiukkanen. Mutta jos raskaampia hiukkasia on olemassa, miksi Higgsin hiukkasen massa on pienempi kuin niiden? Tämä kysymys tunnetaan nimellä hierarkiaongelma, ja siitä on kirjoitettu satoja tai tuhansia tieteellisiä artikkeleita.

Hierarkiaongelman taustalla on se, että 1970-luvulla ajateltiin, että Standardimalli on osa suurta yhtenäisteoriaa. Suuren yhtenäisteorian toistaiseksi tuntemattomien hiukkasten pitää olla paljon raskaampia kuin tunnettujen, koska muuten niistä olisi nähty merkkejä.

Tämä johdatti supersymmetriana tunnetun idean soveltamiseen hiukkasfysiikkaan. Supersymmetria katkaisee Higgsin riippuvuuden raskaampien hiukkasten massoista. Toinen yritys oli tekniväri, missä Higgs ei ole alkeishiukkanen. Silloin Higgsin massa (kuten kvarkeista ja gluoneista koostuvan protonin massa) määräytyy siitä millaisia osia siinä on ja miten ne vuorovaikuttavat, eivätkä raskaammat hiukkaset vaikuta siihen.

Yhteistä molemmille selityksille on se, että Higgsin massaa vastaavilla energioilla pitäisi näkyä uutta fysiikkaa, joka muuttaa Higgsin käytöstä siitä mitä Standardimallin ennustaa.

Nyt LHC–hiukkaskiihdyttimessä on luodattu energioita, jotka ovat Higgsin massaa kymmenen kertaa isompia, eikä supersymmetriasta, tekniväristä tai muista Standardimallin laajennuksista ole näkynyt merkkiäkään. Niinpä yhä useampi fyysikko saattaa olla valmis ratkaisemaan ongelman yksinkertaisella tavalla: ehkä Higgs ei ole raskaampi siksi, että raskaampia hiukkasia ei ole olemassa.

Raskaampia hiukkasia ei välttämättä tarvita kosmologian neljän suuren avoimen ongelman ratkaisemiseen. Vuodesta 2007 alkaen on hahmotettu, että kosmisen inflaation voi hoitaa Higgsillä. Pimeä aine sekä aineen ja antiaineen epäsuhta voidaan selittää uusilla hiukkasilla, jotka ovat Higsin hiukkasta kevyempiä, erimerkiksi aksioneilla tai oikeakätisillä neutriinoilla kuten kauniissa NUMSM–mallissa. Neljättä ongelmaa, kiihtyvää laajenemista, ei taasen yleensä edes yritetä selittää raskailla hiukkasilla.

Tässä on se hyvä puoli, että kevyempiä hiukkasia voi olla helpompi havaita kuin raskaita, koska niiden tuottamiseen tarvitaan vähemmän energiaa. Havaitsemista toisaalta vaikeuttaa se, että monet ehdotetut uudet kevyet hiukkaset (kuten aksionit ja oikeakätiset neutriinot) vuorovaikuttavat hyvin heikosti. Osa teoreetikoista ja kokeilijoista onkin kääntynyt kaavailemaan energioiden kasvattamisen sijaan törmäysten määrän nostamista kiihdyttimissä heiveröisten vuorovaikutusten erottamiseksi, kuten ehdotetussa CERNin SHIP-kokeessa.

Sulka ja vasara

24.1.2023 klo 19.53, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Toinen elokuuta vuonna 1971 David Scott pudotti oikeasta kädestään haukansulan ja vasemmasta vasaran. Koska hän oli Kuussa, missä ei ole ilmakehää, ne osuivat kamaraan yhtä aikaa. Nauhoitus on katsottavissa avaruusjärjestö NASAn YouTube-kanavalla. Siinä Scott sanoo leikillisesti, että koska Galileo Galilei on yksi syy siihen, että hän oli Kuussa, se on hyvä paikka varmistaa tämän teoria siitä, että kaikki kappaleet putoavat samaa tahtia niiden koostumuksesta riippumatta.

Galilei oli pohtinut 1600-luvulla kappaleiden pudottamista Pisan kaltevasta tornista, mutta ei ilmeisesti koskaan tehnyt sellaista koetta. Sen sijaan hän vertasi erimassaisia heilureita ja totesi, että ne kaikki liikkuvat samalla tavalla, noin prosentin tarkkuudella.

Isaac Newtonin gravitaatioteoria selitti ilmiön vuonna 1686. Sen mukaan kappaleen kiihtyvyys on verrannollinen siihen kohdistuvaan voimaan jaettuna kappaleen massalla, ja gravitaatiovoima on verrannollinen kappaleen massaan. Massiivisempiin kappaleisiin kohdistuu isompi voima, mutta niitä pitää myös puskea enemmän, joten kappaleet liikkuvat samalla tavalla massasta riippumatta.

Selitys avaa kuitenkin heti uuden kysymyksen. Painava massa (joka määrää gravitaation voimakkuuden) ja hitausmassa (joka kertoo miten paljon kappaleita pitää työntää) ovat aivan erilaisia asioita. Esimerkiksi sähkövoima on verrannollinen sähkövaraukseen massan sijaan, joten eri kappaleet liikkuvat eri tavalla sähkökentässä. Miksi gravitaatiovaraus eli painava massa sen sijaan liittyy hitauteen?

1800-luvun lopulle tultaessa fyysikko Loránd Eötvös oli kasvattanut painavan massa ja hitausmassan eron mittauksen tarkkuutta prosentin miljoonasosaan. Kehittäessään yleistä suhteellisuusteoriaa vuodesta 1907 alkaen Albert Einstein otti yhdeksi lähtökohdaksi tämän oudon yhteensattuman massojen välillä. Hän arveli, että gravitaatio ja hitaus liittyvät toisiinsa siksi, että gravitaatiossa on kyse aika-avaruuden ominaisuuksista.

Idea vei Einsteinin oikealle polulle, ja yleinen suhteellisuusteoria lopulta selitti asian tyydyttävästi. Sen mukaan gravitaatio ei ole voima, vaan aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä. Kappaleet joihin ei vaikuta voimia liikkuvat suoraa reittiä kaarevassa aika-avaruudessa. Suorat reitit ovat samoja kaikille, ne eivät riipu siitä kuka niitä kulkee.

Tapaus havainnollistaa sitä, että joskus ratkaiseva vihje oikean teorian löytämiselle fysiikassa ei liity ristiriitaan havaintojen ja teorian välillä. Painavan massan ja gravitaatiomassan läheisyys 1800-luvun lopulla ei ollut ristiriidassa minkään teorian tai muun havainnon kanssa. Empiirisyydessä on kyse paljon muustakin kuin teorioiden ennusteiden vertaamisesta havaintoihin. Joskus kokeet jotka eivät löydä mitään ovat yhtä tärkeitä kuin kokeet, jotka paljastavat jotain uutta.

Sitä putoavatko kappaleet samalla tavalla on sitten Einsteinin päivien mitattu monin tavoin. Yksi keino on verrata Maan ja Kuun liikettä Auringon ympäri. Jos ne eivät putoa (eli kierrä) samaa tahtia, niin Maan ja Kuun etäisyys toisistaan muuttuu ajan myötä. Apollo 15 -lento, jossa Scott oli mukana, jätti Kuuhun peilin, joka heijastaa valonsäteet takaisin niiden tulosuuntaan. Myös lennot Apollo 11 ja 14 sekä Lunokhod 1 ja 2 veivät vuosina 1969-73 tällaisia peilejä Kuuhun. Mittaamalla lasersäteen matka-ajan Maasta Kuussa olevaan peiliin ja takaisin niiden etäisyyden muutosta voidaan seurata millimetrien tarkkuudella. Kokeiden mukaan Kuu ja Maa kiertävät Aurinkoa samalla tavalla ainakin kymmenestuhannesosan miljardisosan tarkkuudella.

Tiukimman rajan on antanut vuonna 2016 laukaistu MICROSCOPE-satelliitti, jonka tulokset julkaistiin viime syyskuussa. MICROSCOPEn sisällä oli kaksi eri metalleista valmistettua sisäkkäistä sylinteriä, ja kokeessa seurattiin liikkuvatko ne toistensa suhteen. Kuten Kuussa, kiertoradalla on rauhallisempaa kuin kaikenlaisista häiriöistä kärsivällä Maapallolla. Koeryhmä totesi, että kappaleet putoavat samalla tavalla miljoonasosan miljardisosan tarkkuudella.

Nykyään näitä kokeita tehdään juuri siksi, että yleisen suhteellisuusteorian mukaan mitään ei pitäisi näkyä. Samaa tahtia putoaminen on herkkä testi siitä, minne yleisen suhteellisuusteorian pätevyysalue ulottuu. On satoja laajennuksia yleiselle suhteellisuusteorialle, ja monissa niistä kappaleet putoavat hieman eri tavalla. Yli sadan vuoden ajan yleinen suhteellisuusteoria on selvinnyt kaikista kokeista, mutta koetus jatkuu.

Viestinviejä naulavuoteella

16.1.2023 klo 13.23, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 14.2. kello 18 Kirkkonummen Komeetan tilaisuudessa Kirkkonummen pääkirjaston (Kirkkotie 1) Mörne-salissa otsikolla ”Valo maailmankaikkeudessa: viestinviejä naulavuoteella?”. Aiheena on valo kosmologiassa ja sen kulku halki kaarevan aika-avaruuden. Selitän myös jonkin verran omasta tutkimuksestani, jota käsittelin tässä merkinnässä.

Päivitys (13/02/22): Sairastumisen takia puhe on siirretty syyskauteen. Laitan tiedon uudesta ajankohdasta myöhemmin.