Kosmokseen kirjoitettua

Sarjan ensimmäinen jakso

26.10.2023 klo 16.02, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin tällä viikolla Nordita-tutkimuskeskuksessa Tukholmassa konferenssissa, joka oli nimetty ensimmäiseksi pohjoismaiseksi kosmologiatapaamiseksi. Pohjoismaissa on kyllä tapailtu kosmologian merkeissä aikaisemminkin, mutta järjestäjät valitsivat luvun yksi toivoen, että tästä alkaisi säännöllinen vuosittaisten tapaamisten sarja. Säieteoreetikoilla on ollut tällaisia tapaamisia pohjoismaissa jo 32 vuotta.

Kosmologia, kuten monet fysiikan alat, on hyvin kansainvälistä ja tutkijat kiertävät eri maiden instituuteissa. Niinpä kosmologien pääasiallinen akateeminen samaistumiskohde on usein ennemmin oman tieteenalan maailmanlaajuinen yhteisö kuin oma yliopisto kaikkinensa. Mutta on silti tutkimukselle eduksi, että tutkijoilla on hedelmällinen ympäristö omassa instituutissa ja lähialueella.

Kosmologian tutkimuksesta on tullut hyvin erikoistunutta, ja puheiden kuunteleminen auttaa ymmärtämään, mitä muut tekevät ja ajattelevat ja pitää yhteisöä kasassa. Suuri osa tutkijoiden yhteistyöstä syntyy epämuodollisissa keskusteluissa, joita varten konferenssit ja vierailut muissa instituuteissa ovat korvaamattomia.

Konferenssissa käsiteltiin paljon varhaisen maailmankaikkeuden mahdollisia olomuodon muutoksia ja kosmisia säikeitä, ja niistä syntyviä gravitaatioaaltoja. Suunnitelmien mukaan vuonna 2037 Aurinkoa kiertävälle radalle nouseva LISA-satelliitti saattaa havaita tällaisia aaltoja, ja siihen valmistaudutaan tohinalla. Helsingissä on monta alan tutkijaa. Vuosikymmenten työn ja tietokoneiden kehityksen seurauksena nykyään pystytään yhdistämään hiukkasfysiikan teoriat havaintoihin paljon aiempaa tarkemmin ja myös helpommin, kun osa laskuista on pystytty automatisoimaan. Käsityö on silti yhä tärkeää.

Myös aksioneista oli useita puheita. Se mahdollisuus, että pimeä aine koostuu aksioneista, on kasvattanut suosiotaan kun aiemman suosikin, nynnyjen, kiilto on himmennyt. Nyt aksioneista ilmestyy noin kymmenen tieteellistä artikkelia viikossa.

Pääsimme tutustumaan ALPHA-laitteiston prototyyppiin Tukholman yliopiston kellarissa. ALPHA on yksi useista kokeista, jotka etsivät lävitsemme mahdollisesti koko ajan matkaavia aksioneja. Ensi vuosikymmenellä joko suljetaan pois suuri osa lupaavista aksionimalleista tai sitten aksionit löydetään. Teoreetikot vaikuttuvat helposti siitä, mitä kaikkea kokeelliset fyysikot pystyvät tekemään – en ole varma mitä kokeilijat ajattelevat teoreetikoista, varsinkaan niistä jotka tulevat heidän laboratorioonsa tyhmine kysymyksineen.

Maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden tarkka arvo on noussut kosmologisten havaintojen isoimmaksi kysymykseksi. Havainnot maailmankaikkeuden myöhäisistä ja varhaisista ajoista näyttävät olevan ristiriidassa. On ollut vaikea löytää sen enempää vikoja havainnoista kuin uusia fysiikan teorioita, jotka korjaisivat ristiriidan.

Martin Sloth, jonka kanssa istuimme samassa toimistossa jatko-opiskelijoina, esitti tapaamisessa oman mallinsa, missä pimeän aineen lisäksi on olemassa monimutkaisempi kokoelma meille näkymättömiä hiukkasia, joiden keskinäinen vuorovaikutus muuttaa laajenemisnopeutta varhaisina aikoina.

Viime aikoina konferensseissa on kenties ollut aiempaa vähemmän uusia ideoita ja voimakkaita väittelyitä (joku voisi sanoa riitoja). Havaintojen datamäärän kasvamisen ja teorioiden kehityksen myötä kosmologiasta on tullut järjestelmällisempää yhteistyötä.

Samalla rahoittajien, erityisesti Euroopan unionin, taipumus keskittää paljon rahaa valituille yksilöille laajemman tutkimusympäristön sijaan saattaa rajoittaa uusien ideoiden syntyä, sen sijaan että vapauttaisi tutkijat seuraamaan lupaavia uusia avauksia. Projektin johtaja ja joukko muita tutkijoita joutuvat sitoutumaan pitkäksi aikaa ennalta määrättyyn tutkimussuunnitelmaan, ja isoon rahoitukseen liittyy myös hallinnollisia velvoitteita. Joskus apurahoihin liittyy myös epärealistisia odotuksia – Einsteinia ei saa rahalla.

Mutta havainnot ja niiden analyysi ovat erinomaisessa kunnossa, ja vievät alaa eteenpäin. Niiden kehitys on vaikuttavaa seurattavaa. Seuraavan kymmenen vuoden kuluttua olemme kartoittaneet kymmenen miljardia galaksia, eli 10% kaikista maailmankaikkeuden meille näkyvän osan galakseista, mikä tuntuu uskomattomalta.

Hienostuneiden menetelmien kehitys ja tietokoneiden laskentatehon kasvu mahdollistaa uudenlaiset tavat analysoida havaintoja. Nykyään voidaan samaan aikaan verrata useiden eri havaintojen dataa toisiinsa ja teoriaan, kuljettaen niiden kaikkien miljardien parametrien epävarmuuksia mukana huolellisesti.

Perinteisesti on ensin otettu teoria, jonka puitteissa havaintoja analysoidaan, ja vedetty johtopäätöksiä, joita verrataan muiden teorioiden ennusteisiin. Näin ei ole aina selvää, mikä osa havainnoista vedetyistä johtopäätöksistä riippuu mistäkin teorian piirteestä.

Vaikuttava esimerkki uudenlaisesta analyysistä on Cosmoglobe-projekti, joka syynää kosmisen mikroaaltotaustan havaintoja. Samaa teki aiemmin projekti BeyondPlanck, jossa Helsingin yliopiston tutkijat Elina Keihänen ja Anna-Stiina Suur-Uski olivat mukana. BeyondPlanck analysoi Planck-satelliitin dataa sen jälkeen kun varsinainen Planck-projekti oli jo loppunut. Cosmoglobe kantaa soihtua ja osoittaa, miten vanhan datan huolellinen analyysi paljastaa kiinnostavia piirteitä kuin vanhojen mestarien maalausten restaurointi.

---

Katulampun henki

29.9.2023 klo 05.00, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Syyskuun alussa Rebeca Gonzalez Suarez Uppsalan yliopistosta puhui Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarissa pimeästä aineesta ja kokeellisen hiukkasfysiikan tulevaisuudesta.

CERNin hiukkaskiihdytin LHC käynnistyi vuonna 2008, mutta pian sattuneen onnettomuuden takia se pääsi keräämään dataa vasta vuonna 2010. Meneillään oleva kolmas havaintokausi on nykyisen laitteen viimeinen. Kun se loppuu vuonna 2025, LHC päivitetään uudeksi kiihdyttimeksi nimeltä HL-LHC. Lyhenne HL tulee sanoista high luminosity, iso kirkkaus. Sanayhdistelmä viittaa siihen, että uudessa laitteessa hiukkaskimput törmäävät entistä tiheämpään tahtiin.

Hiukkasen löytämiseksi pitää ylittää kaksi kynnystä. Mitä isompi on hiukkasen massa, sitä enemmän energiaa sen tuottamiseen tarvitaan. Mitä heikommin hiukkanen vuorovaikuttaa, sitä harvemmin se syntyy törmäyksissä.

Usein korostetaan sitä, että LHC pääsee aiempia kiihdyttimiä korkeampiin energioihin. Tärkeää on kuitenkin myös se, että LHC tekee törmäyksiä paljon aiempaa tiuhemmin, noin miljardi kertaa sekunnissa. LHC:n kanssa kilpailleen Tevatron-kiihdyttimen energia riitti Higgsin hiukkasen tuottamiseen. Törmäyksiä sekunnissa tapahtui kuitenkin sata kertaa vähemmän, joten Tevatron ei synnyttänyt tarpeeksi Higgsin hiukkasia, että niitä olisi havaittu, ja LHC vei voiton. (Myös LHC:n korkeampi energia lisäsi Higgsin hiukkasten määrää.)

HL-LHC-kiihdyttimen suunnitellaan uusia koelaitteita, kuten SHiP, jonka kohteena ovat hyvin heikosti vuorovaikuttavat hiukkaset. Tunnetuin esimerkki on oikeakätiset neutriinot, jotka ovat oma suosikkini pimeän aineen hiukkaseksi.

Mitä tiheämpään törmäyksiä tapahtuu, sitä sotkuisempaa on niiden analysoiminen. Yksi ongelma on se, että valonnopeus on niin pieni.

Lähes valonnopeudella kulkeva hiukkanen ehtii sekunnin miljardisosassa matkata noin 30 cm. Niinpä yhden törmäyksen tuotokset eivät ehdi poistua kerrostalojen kokoisista havaintolaitteista ennen kuin seuraavat kiitävät sisään. Ongelmaa lieventää se, että kaikkien törmäysten dataa ei oteta talteen. Laitteet eivät ehtisi tallentaa miljardia megatavua sekunnissa, eikä missään olisi tarpeeksi tilaa tällaisen datamääräin säilyttämiseen. Lisäksi suurimmassa osassa törmäyksistä ei tapahdu mitään kiinnostavaa. Törmäysten erottaminen toisistaan vaatii silti paljon työtä, ja HL-LHC:ssä tilanne on vielä vaikeampi.

HL-LHC:n on määrä aloittaa toiminta vuonna 2029, ja aikataulu on valmiina vuoteen 2041 asti kuukauden tarkkuudella. Pitkään hiukkasfysiikassa on vallinnut epävarmuus siitä, mitä tulee sen jälkeen. Nyt tilanne on selkiytynyt, ja kärkiehdokkaaksi on noussut Future Circular Collider (FCC). CERNin johtaja Fabiola Gianotti sanoi kesäkuussa, että FCC on paras vaihtoehto CERNin tulevaisuudelle. Gonzales Suarez lohkaisi, että sitten kun kiihdytin ei ole enää tulevaisuutta vaan nykyaikaa, sana Future pitää vaihtaa, kenties sanaksi Fabiola.

FCC:n tunnelista tulee 91 km pituinen, ja se kulkee jopa 400 metrin syvyydessä Geneven ja Ranskan maaperässä. LHC:n kehä on 27 km pitkä ja sata metriä maan alla. Ensimmäisessä vaiheessa tunneliin rakennetaan elektroneja ja positroneja törmäyttävä kiihdytin FCC-ee.

Nykyinen LHC törmäyttää protoneita ja raskaampia ytimiä. Koska ne eivät ole alkeishiukkasia, törmäykset ovat monimutkaisia, ja niitä analysoidessa pitää ottaa huomioon mitä ytimien sisällä tapahtuu. Elektroneilla ja niiden antihiukkasilla positroneilla ei sen sijaan ole alirakennetta. Niinpä FCC-ee:n jälkiä on helpompi tulkita, mikä onkin tarpeen, kun törmäysten tahti kasvaa.

Nurja puoli on se, että koska elektroni on noin 2000 kertaa kevyempi kuin protoni, törmäysten energia on pienempi. Karkeasti jaoteltuna protonikiihdyttimet ovat korkeamman energian takia parempia uusien hiukkasten löytämiseen, elektronikiihdyttimet taas tarkkojen mittausten tekemiseen mahdollisten poikkeamien löytämiseksi.

Yksi FCC-ee:n tärkeä tavoite on Higgsin hiukkasen ominaisuuksien tarkka mittaaminen. Erityisesti kiinnostaa se, kuinka usein Higgs hajoaa minkäkinlaisiksi hiukkasiksi. Tämä kertoo sen, miten vahvasti Higgs kytkeytyy eri hiukkaslajeihin. Lisäksi jos on olemassa tuntemattomia hiukkasia, joihin Higgs hajoaa, ne voisi havaita epäsuorasti siten, että Higgs hajoaa tunnetuiksi hiukkasiksi hieman odotettua harvemmin.

Toisessa vaiheessa FCC-ee korvataan kiihdyttimellä FCC-hh, joka törmäyttää protoneita ja raskaampia ytimiä. Sen törmäysenergian on määrä olla ainakin kahdeksan kertaa LHC:n nykyisen energian suuruinen.

Suunnitelma noudattaa tuttua kaavaa. Ennen LHC:tä nykyisessä tunnelissa oli elektroneita ja positroneita kiihdyttänyt LEP ja sen seuraaja LEP2. LEP ja LEP2 olivat teknisesti erittäin onnistuneita kiihdyttimiä, jotka tekivät tarkkoja mittauksia, mutta eivät löytäneet uusia hiukkasia. Kilpailija Tevatron ehti nappaamaan top-kvarkin ennen niitä, eikä LEP yltänyt Higgsin hiukkaseen.

Kun LHC käynnistyi, tilanne oli ihanteellinen. Oli varmaa että löytyy joko Higgsin hiukkanen tai jotain vielä kiinnostavampaa, ja Tevatronin sulkeuduttua 2011 LHC oli yksin kentällä. LHC löysi Higgsin, hiukkasfysiikan Standardimallin viimeisen palan vuonna 2012, mutta muuta uutta perustavanlaatuista fysiikkaa ei ole näkynyt.

FCC:n tilanne on toinen. Hiukkasfysiikka on kriisissä, koska mitään odotetuista Standardimallin laajennuksista, kuten supersymmetria, tekniväri, tai ylimääräiset ulottuvuudet, ei ole löytynyt. Uudet kiihdyttimet menevät uusille seuduille, joita kukaan ei ole ennen luodannut, mutta ei ole enää vankkaa syytä odottaa, että niillä on mitään löydettävää.

Tämä saattaa olla yksi syy siihen, että CERN haluaa HL-LHC:n seuraajiksi FCC-ee:n ja FCC-hh:n. Ne ovat isompia versioita siitä, mitä on tehty jo aiemmin. Tarvittava teknologia on olemassa, ja FCC-ee tarjoaa halvan reitin FCC-hh:hen koska ne käyttävät samaa tunnelia.

Aikajänne on pitkä. Tunneli ja FCC-ee olisi tarkoitus rakentaa vuosina 2033-45, ja FCC-ee  jatkaisi toimintaansa vuoteen 2068 asti. FCC-hh rakennettaisiin vuosina 2058-70, ja toimisi vuoteen 2095 asti. On vaikea uskoa, että nykyään tunnettu teknologia olisi paras ratkaisu enää 70 vuoden kuluttua, vaikka suunnitelmia voi toki päivittää.

Gonzales Suarez on CERNin ATLAS-koeryhmän nykyinen ja CMS-ryhmän entinen jäsen, ja hän esitti tulevaisuuden CERNin näkökulmasta. Muitakin kiihdyttimiä on vireillä, Japanissa ILC (International Linear Collider) ja Kiinassa CPEC (Circular Electron-Positron Collider). On myös ideoita uudenlaisista kiihdyttimistä, kuten sellaisesta joka törmäyttäisi myoneja, jotka ovat elektroneja raskaampia alkeishiukkasia.

Mitään HL-LHC:n jälkeistä ei ole vielä päätetty, mutta CERNin suunnitelmat ovat pisimmällä ja siellä ovat myös parhaat asiantuntijat. Yksi syy päivittää nykyinen kiihdytin HL-LHC:ksi ja edetä varovasti FCC:hen onkin tarve pitää nykyiset kiihdytintuntijat mukana pelissä. Jos ei ole kiihdytintä työn alla, monet heistä siirtyvät akateemisen hiekkalaatikon ulkopuolelle. Sen jälkeen kun erikoistunut tietotaito on menetetty, sen oppiminen uudelleen voi kestää kauan. Suunnitelmissa näkyy myös se, että asiaa katsotaan sen kannalta, mikä on parhaaksi CERNille, sen sijaan että arvioitaisiin mitä teorian perusteella kannattaa tutkia.

Teoreettiset fyysikot viittaavat usein tarinaan miehestä, joka etsii avaimiaan katulampun alta vaikka hän hukkasi ne muualle, koska se on ainoa paikka missä ei ole pimeää. Tämä on leikillinen tapa tuoda esille sitä, että ratkoo sellaisia ongelmia mihin pystyy, ei välttämättä niitä jotka olisivat tärkeimpiä. Ehkäpä kertomus valaisee fysiikan kokeellistakin puolta.

Tiedettä tieteen vuoksi

16.9.2023 klo 22.06, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin tällä viikolla Oxfordin yliopistossa Subir Sarkarin 70-vuotisjuhlakonferenssissa. Kun fyysikot, joilla on ollut iso vaikutus alaansa sekä paljon yhteistyökumppaneita ja opiskelijoita täyttävät pyöreitä vuosia, läheisillä tutkijoilla on tapana järjestää heidän kunniakseen tieteellinen tapaaminen. Olin itse vuonna 2014 järjestämässä Kari Enqvistin 60-vuotiskonferenssia Enqfest.

Ensimmäinen väittelyn jälkeinen tutkimuspestini oli Oxfordissa vuosina 2002-5. Nimellisesti esihenkilöni taisi olla Graham Ross, mutta hän oli koko ensimmäisen vuoden CERNissä, joten olin Subirin vaikutuspiirissä.

Subir väitteli vuonna 1982 Mumbain Tata-instituutissa, ja siirtyi sieltä CERNiin ja Oxfordin yliopistoon. Hän on fyysikon lisäksi toiminut aktivistina, ja on muun muassa tehnyt vapaaehtoistyötä Bhopalissa sen kun siellä oli tapahtunut maailman pahin teollisuusonnettomuus.

Konferenssi avattiin lukemalla viestejä tutkijoilta, jotka eivät päässeet paikalle. Enqvist kirjoitti tajunneensa 80-luvulla uransa alussa CERNissä, että ”this guy means business!”. Subir on vahva ja suorapuheinen persoona, eikä siedä hölynpölyä. Samalla hän on kiinnostunut muiden näkemyksistä ja lämmin heitä kohtaan, mikä näkyi konferenssin sydämellisessä tunnelmassa. Subiria kiitettiin kriittisen asenteen opettamisesta ja kannustamisesta sanomaan näkemyksensä riippumatta siitä, kuka suuttuu.

Vaikka tällaisen syntymäpäivätapaamisten puheissa on muisteloa yhteisistä ajoista, niiden kärki on tieteessä. Subirin tapauksessa tämä oli erityisen kiinnostavaa kahdesta syystä.

Ensinnäkin Subirin kaari fyysikkona ajoittuu astrofysiikan ja kosmologian kasvuun omiksi tieteenaloikseen. Kuten Rocky Kolb sanoi viestissään: ”kun aloitimme uramme, kosmologiaa ei pidetty kunniallisena ammattina”. Kanssani samaan aikaan Oxfordissa ollut Dan Hooper totesi puheessaan, että vielä 2003 oli epätavallista, että hiukkasfyysikoilla oli mitään tekemistä astrofysiikan kanssa. Nyt jokseenkin jokainen hiukkasteoreetikko on kirjoittanut ainakin pari artikkelia pimeästä aineesta.

Toisekseen Subir on usein mennyt valtavirtaa vastaan, ja kyseenalaistanut johtopäätöksiä, joihin muut ovat langenneet. Erityisesti hän on pistänyt pimeään energiaan viittaavat todisteet tarkkaan syyniin.

Niinpä konferenssi oli kriittinen läpileikkaus hiukkasfysiikan, kosmologian ja astrofysiikan risteykseen. Aiheet vaihtelivat säieteoriasta galaksien jakaumaan, teleskooppien rakentamisesta kvanttilaskentaan, tähtien radoista aksioneihin.

Monissa puheissa tuli esiin se miten teorioiden lisäksi myös havainnot ovat usein väärin. Kymmenen vuotta sitten Subir oli eturivissä epäilemässä, onko kosmisen inflaation gravitaatioaaltoja todella havaittu. Pian selvisi, että kyse oli Linnunradan pölystä. Vastaavia esimerkkejä on useita.

Pitkään oli ongelmana, että litium-7:ää (eli ytimiä, joissa on kolme protonia ja neljä neutronia) nähtiin paljon vähemmän kuin mitä teoria ennustaa maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien aikana syntyneen. Keith Olive kertoi, miten ongelma on jokseenkin ratkennut sillä, että uudet havainnot osoittavat, että litiumia on tuhoutunut tähdissä enemmän kuin mitä luultiin.

Kun olin Oxfordissa, pohdittiin paljon sitä, että Maapallolle näyttää tulevan paljon enemmän korkeaenergisiä kosmisia säteitä (eli sähköisesti varattuja hiukkasia) kuin mitä teorian mukaan oli mahdollista. Sittemmin on osoittautunut, että monien hiukkasten energia oli mitattu väärin. Toisaalta on ymmärretty, että suurin osa energisimmistä kosmisista säteistä ei ole protoneita, vaan raskaampia ytimiä, mikä vaikuttaa analyysiin merkittävästi. Erityisesti Subir kyseenalaisti tutkijoiden varmuutta siitä, että kyse on protoneista.

Vuonna 2015 väitettiin, että galaksiryppäässä Abell 3827 pimeä aine ei liiku samaa tahtia galaksien kanssa, vaan jää jälkeen. Tämä tarkoittaisi, että kitka hidastaa pimeän aineen liikkeitä, eli pimeän aineen pitäisi vuorovaikuttaa paljon voimakkaammin kuin mitä yleensä ajatellaan. Nämäkin havainnot osoittautuivat vääriksi, kuten Felix Kahlhoefer selitti.

Antonio Masiero kertoi, miten uusien havaintojen myötä eri teoreettiset laskut myonin magneettisesta momentista ovat lähestyneet toisiaan ja havaittua arvoa. Kaksi vuotta sitten nimittäin julkistettiin fanfaarilla uusi mittaus, ja korostettiin sen eroa teoreettisista ennusteista. Masiero päätti puheensa kiittämällä Subiria sen korostamisesta, että fyysikkojen työn ytimessä on epäily, ei varmuus.

Subir on näyttänyt esimerkkiä siinä, miten havainnot otetaan vakavasti mutta skeptisesti, ja miten nykyisten teorioiden ja havaintojen tunteminen pohjustaa avoimuutta uusille vaihtoehdoille.

Yksi tämän hetken outo havainto on se, että isossa mittakaavassa galaksit näyttävät liikkuvan suhteessa kosmiseen mikroaaltotaustaan, vaikka teorian mukaan niiden pitäisi olla levossa toistensa suhteen. On liian aikaista sanoa, onko vika havainnoissa vai onko kyseessä merkittävä löytö. Euclid-satelliitin mittaukset auttavat selvittämään asiaa.

Subir on siinä mielessä vanhan polven tieteilijä, että erikoistumisen sijaan hän on tutkinut monia aiheita. Hän sanoo, että ei ole teoreetikko eikä kokeilija, vaan fyysikko. Loppupuheenvuorossaan Subir pohti sitä, että tieteenalojen kehitys kestää suunnilleen ihmiselämän verran.

Hiukkasfyysikot aloittivat tutkimalla kosmisia säteitä, ja toisen maailmansodan jälkeen he siirtyivät rakentamaan hiukkaskiihdyttimiä. Subir totesi, että on merkittävää, että näin saatiin aikaan organisaatiokulttuuri, joka pystyy tuomaan yhteen tekemään yhteistyötä vapaaehtoiselta pohjalta tuhansia hiukkasfyysikoita. Hiukkasfyysikoiden alallahan vahvat mielipiteet ja omat ideat, ovat tavallisia, ja he yrittävät koko ajan todistaa kollegojensa olevan väärässä.

Astrofyysikot omaksuivat 80-luvulta lähtien tämän täsmällisyyden ja kurinalaisuuden hiukkasfysiikasta, ja ala kasvoi. Vuonna 1990 tähtitieteen ja hiukkasfysiikan risteyksessä työskenteli kenties 200 ihmistä, nyt heitä on yli 10 000. Astrofysiikassa kuitenkin isojen koeryhmien koko mitataan vielä sadoissa, ei tuhansissa. Subirin mielestä tämä sallii nuorille tutkijoille enemmän vapautta.

Subir päätti konferenssin korostamalla, että fysiikan tekeminen on palkinto itsessään: sitä ei pidä tehdä palkintojen eikä edes löytöjen perässä, vaan ymmärryksen vuoksi.

---

Taas fysiikkaa runoilijoille ja kosmologiaa

4.9.2023 klo 17.14, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pidän jälleen 1.-15.11. Ursan verkkokurssin kosmologiasta, sinne voi ilmoittautua täällä. Paikkoja on rajoitetusti. Kurssia kuvataan näin: ”Verkkokurssi tarjoaa napakan katsauksen moderniin kosmologiaan, sen oleellisimpiin teorioihin sekä hieman myös kosmologian historiaan.”

Luennoin taas kurssin Fysiikkaa runoilijoille Helsingin yliopistossa, tällä kertaa loppuvuodesta, 31.10.-12.12.. Luennot ovat maanantaisin ja tiistaisin kello 12.15-14.00. Kirjoitin kurssista aikoinaan hieman täällä.

Kurssin voi suorittaa sekä osana yliopisto-opintoja että Avoimessa yliopistossa. Kummassakin tapauksessa pitää ilmoittautua Sisu-järjestelmässä. Voi myös vain tulla paikalle kuuntelemaan ja kysymään ilmoittautumatta ja suorittamatta – mukana on joka vuosi ollut kiinnostuneita osallistujia, jotka eivät ole yliopistolla.

Kurssin kuvaus kotisivuilla on seuraava:

”Kurssilla avataan fysiikan käsitteitä ja maailmankuvallista merkitystä. Käsittelytapa on kvalitatiivinen ja keskusteleva. Aiheina ovat Newtonin klassinen mekaniikka, suppea suhteellisuusteoria, yleinen suhteellisuusteoria, kvanttimekaniikka, kvanttikenttäteoria ja hiukkasfysiikka, kosmologia sekä yritykset kohti kaiken teoriaa. Tämä ei ole tieteen historian eikä filosofian kurssi, vaikka niitä käsitelläänkin, vaan fyysikon kuvaus fysiikan teorioiden kehityksestä ja sisällöstä.

Kurssi on suunnattu heille, jotka eivät ole fysiikan opiskelijoita. Kurssi saattaa kuitenkin olla kiinnostava myös etenkin aloitteleville fysiikan opiskelijoille. Kurssi ei edellytä esitietoja fysiikasta eikä sisällä laskemista.”

Kurssin suorittaneet opiskelijat ovat pitäneet siitä kovasti. Alla muutama ote palautteesta,  kotisivuilla on lisää kommentteja kurssista:

• Kurssi oli todella antoisa, kiitos! Tällaisia tieteenalojen välisiä kädenojennuksia kaivattaisiin enemmän. Tuntuu, että noin yleisesti ottaen fysiikasta kiinnostunut humanisti voi joko tyytyä populaarikirjallisuuteen tarjoamaan pintaraapaisuun tai vaihtoehtoisesti aloittaa fysiikan opiskelun aivan a:sta; välimuotoa on vaikea löytää. Tämä kurssi täytti tämän puutteen erinomaisesti.

• Kurssilta sai aimo annoksen jäsennettyä, johdonmukaista tietoa modernista fysiikasta kaikkineen ja sen tämän hetkisestä tilasta. ERITTÄIN TYYTYVÄINEN tähän antiin. Mielestäni tälle kohderyhmälle mahtava kokonaisuus, ainakin näin itse koin.

• Olen todella iloinen, että tulin kurssille. Kurssilla ei tuntunut, että olisi ollut painetta ymmärtää kaikki, vaan sai rauhassa pohdiskella asioita. Kurssi oli tehokas maailmankuvan muokkaaja, ja ainakin itselläni monet annettuina ottamani käsitykset lensivät romukoppaan. Tämä oli yksi yliopiston parhaista kursseista ja toivon todella että se luennoidaan joskus uudestaan!

---

Sydämen asioita

29.8.2023 klo 13.36, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Fysiikka on yksi päähenkilöistä Christopher Nolanin ohjaamassa ja osin kirjoittamassa elokuvassa Oppenheimer.

Elokuva seuraa yhdysvaltalaisen teoreettisen fyysikon Robert Oppenheimerin matkaa ydinaseita valmistaneen Manhattan-projektin johtoon ja sieltä tunnontuskiin ja poliittisesti epäilyksenalaiseksi. Samalla kun elokuva kytkee fyysikot tiukasti raadolliseen politiikkaan, se vaalii romanttista ja kenties mystistä kuvaa fysiikasta.

Nolanin aiemmat elokuvat Interstellar ja Tenet jo liikkuivat fysiikan alueella. Hänen tavaramerkikseen muodostunut kuva- ja äänivyörytys on mukana Oppenheimerissakin, mutta myös ihmisten suhteilla ja sosiaalisella ympäristöllä on tärkeä rooli. Elokuva onkin kiinnostava juuri siksi, että se liittyy todellisiin tapahtumiin ja yrittää käsitellä oikeita moraalisia kysymyksiä.

Tehosteet, tahditus, lavastus, puvustus ja kuvaus loistavat, mutta henkilöt eivät ole Nolanin vahvuus. Elokuvaan on poimittu 1900-luvun keskeisiä fysiikan ja matematiikan hahmoja. Monet -kuten Niels Bohr, Ernest Lawrence ja Edward Teller– liittyvät kiinteästi Oppenheimerin tarinaan, mutta toiset kuten Kurt Gödel ja Richard Feynman tuntuvat heitetyn mukaan lähinnä harrastajien bongattaviksi.

Jotkut hahmot eivät tunnu esikuviltaan. Oppenheimerin Albert Einstein on ennemmin tietäjä legendoista kuin ihminen historiasta. On hauska katsoa, kun Kenneth Branagh esittää tyypillisillä maneereillaan Niels Bohria, mutta hänen nopeasanainen olemuksensa on kaukana historiallisesta Bohrista, joka puhui kuin haparoisi kohti totuutta.

Fysiikkaa tuodaan elokuvassa esille fyysikkojen keskustelujen ja luentojen kautta. Ne vaihtelevat puisevan ja koomisen välillä, eikä niillä ole juuri mitään tekemistä sen kanssa, miten fyysikot todellisuudessa kommunikoivat.

Fysiikan sydämessä on täsmällisyyteen yhdistyvä leikillisyys ja luomistyö. Elokuvassa tämä ei välity, sen sijaan tarjolla on pop-filosofiaa ja iskulauseita. Vaikutelma on sama kuin yritettäisiin välittää teatterintekemistä laittamalla hahmot viljelemään sitaattia ”ollako vai eikö olla” tai historiantutkimusta pistämällä tutkijat esittelemään löytöä, että kaikki tiet vievät Roomaan.

Viihdespektaakkeleissa pitää toki virtaviivaistaa viestintää. Erityisesti se on tarpeen kun käsittelyssä on niin erikoistunut ja abstrakteja asioita tutkiva ryhmä kuin fyysikot tai matemaatikot. Tämän voi kuitenkin tehdä tavalla, joka syventää henkilöitä, edistää juonta, ja on uskollinen sille, miten tiedettä tehdään. Esimerkkeinä voi mainita Gus van Santin Hollywood-sadun Good Will Hunting ja Matt Brownin sympaattisen Srinivasa Ramanujan-elämänkerran The Man Who Knew Infinity.

Intohimo fysiikkaan tulee kyllä ilmi. Elokuvassa Oppenheimer kertoo että hänellä on kaksi rakkautta, Los Alamos ja fysiikka, ja suhde fysiikkaan piirtyy polttavampana sydämen asiana kuin romanttiset suhteet ihmisiin.

Elokuvan alkupuolella havainnollistetaan Oppenheimerin oivalluksia maailmankaikkeuden salaisuuksista lähes mystisellä tavalla. Fysiikassa todella saa oivalluksia todellisuuden rakenteesta ja uudenlaisia kauneuden kokemuksia, mutta ne tulevat yksityiskohtaisen matemaattisen tekemisen kautta.

Elokuvassa Bohr sanoo Oppenheimerille, että kuten musiikissa, fysiikassa ei ole tärkeää osaako lukea nuotteja vaan se, pystyykö kuulemaan musiikin. Tämä pitää paikkansa sikäli, että kyse ei ole vain laskemisesta, pitää myös ymmärtää teorioiden ja ideoiden kokonaisuuksia, ja intuitio on tärkeä työkalu. Elokuvassa kommentti on kuitenkin omiaan vahvistamaan käsitystä fysiikasta valaistuksenomaisiin neronleimauksiin perustuvana mietiskelynä, vaikka sen kuvaus Manhattan-projektista onkin kaikkea muuta.

Vertaus musiikkiin on kyllä osuva. Se vahvistaa sitä, miten Oppenheimerin Yhdysvaltoihin tuoma moderni fysiikka samaistetaan elokuvassa Pablo Picasson moderniin kuvataiteeseen ja Igor Stravinskyn oopperaan Kevätuhri. Olen itsekin viitannut molempiin yrittäessäni selittää fysiikassa tarvittavaa oudon tuntuista uutta kieltä.

Fysiikan tutkimus on johtanut tuloksiin maailmasta, joita voi olla vaikea hyväksyä, koska ne ovat ristiriidassa arkiajattelumme kanssa. Elokuvassa tämä kytketään siihen, että luonnontieteiden teknologisia sovelluksia käytetään tavoilla, joita ei voi moraalisesti hyväksyä.

Eettisesti on eroa sillä, onko kyseessä perustutkimus, jonka seurauksia ei voi ennakoida, vai suora väkivallan välineiden rakentaminen. Esimerkiksi vuonna 2014 tulleessa näytelmässä Einsteinin rikos sovitettiin Einsteinin harteille turhaa syyllisyyden viittaa ydinpommeista hänen työnsä takia, vaikka Einsteinin tutkimus oli niistä kaukana. (Einstein kyllä kehotti Yhdysvaltojen presidentti Franklin D. Rooseveltia kehittämään ydinpommeja.)

Oppenheimer sen sijaan tietoisesti johti hanketta, missä kehitettiin aseita, joilla tapettiin yli satatuhatta ihmistä ja jotka ovat asettaneet koko sivilisaatiomme uhanalaiseksi. Moraalisiin kysymyksiin ja syyllisyydentuntoon käytetään elokuvassa paljon aikaa, ja Nolan on saanut niistä joitakin hienoja kohtauksia. On mieleenpainuvaa, miten Los Alamosin väki juopuu riemusta kuultuaan Hiroshiman tuhoamisesta.

Käsikirjoitus ei kuitenkaan saa etiikasta selvää otetta, ja keskittyminen Oppenheimerin turvallisuusluokituksen poistamiseen sodan jälkeen suurena vääryytenä tuntuu riittämättömältä joukkotuhon äärellä. Oppenheimeria esittävä Cillian Murphy pelastaa paljon, hän tuo hahmoon syvyyttä ja herkkyyttä, jota dialogista ei löydy.

Moraalinen pohdinta myös näyttäytyy oudossa valossa, koska elokuvassa esitetään ydinpommien pudottamisen syistä vain Yhdysvaltojen viranomaisten propagandaversio. Sen mukaan Hiroshiman ja Nagasakin tuhoaminen oli välttämätöntä Japanin saamiseksi antautumaan ja niin tehtiin yhdysvaltalaisten ja japanilaisten ihmishenkien pelastamiseksi. Tutkimus on osoittanut, että kumpikaan ei pidä paikkaansa.

Sodankäyntiin liittyvä välttämättömän pahan ongelma on tärkeä moraalinen kysymys. Mutta usein sitä käytetään peittämään sotaan liittyvää moraalista rappiota, jonka takia tehdään hirvittäviä asioita jotka ovat sotilaallisesti tarpeettomia.

Tieteilijät osallistuivat teolliseen joukkotuhoon jo ensimmäisen maailmansodan aikana, kun Fritz Haber ja muut tunnetut kemistit kehittivät myrkkykaasuja ihmisten tappamiseksi. Tätä arvosteltiin vahvasti. Vaikka Manhattan-projektiakin on kritisoitu paljon, siihen osallistuneita tutkijoita on harvemmin pidetty henkilökohtaisesti vastuullisina.

Elokuvassa käydään läpi, miten Saksan antauduttua jotkut Manhattan-projektin osallistujat vastustivat pommin käyttämistä. Kertoo paljon ammattimaisesta ajattelusta, että kuitenkin vain yksi tutkija, Joseph Rotblat, lähti projektista tajuttuaan, että hänen työnsä oli moraalisesti väärin. Rotblat (jota minulla oli kunnia kuunnella 2000-luvun alussa Oxfordissa) perusti fyysikoiden ydinaseiden vastaisen Pugwash-verkoston, ja sai vuonna 1995 yhdessä sen kanssa Nobelin rauhanpalkinnon.

Oppenheimer ei koskaan osallistunut Pugwashin toimintaan. Hän ei myöskään allekirjoittanut Einsteinin ja Bertrand Russellin manifestia ydinaseita ja sotaa vastaan.

Niin Yhdysvalloissa kuin Neuvostoliitossa työ ydinaseiden parissa määritti toisen maailmansodan aikaista fyysikkojen sukupolvea. Se syvensi tutkijoiden ja armeijan yhteistyötä, ja normalisoi joukkotuhoaseita hyväksyttävänä tai jopa toivottavana ja suojaavana osana yhteiskuntaa.

Yhdysvalloissa yksi johdannainen on Jason-ryhmä, jossa tutkijat auttavat Yhdysvaltojen armeijaa. Ryhmässä on valjastettu muidenkin kuin fyysikoiden asiantuntemus sodan palvelukseen. Vietnamin sodan aikaan ryhmän jäsen Murray Gell-Man (joka tunnetaan kvarkkien ymmärtämisestä) esimerkiksi esitti, että sosiologeja pitäisi saada mukaan tutkimaan, mitä vaikutusta on sillä, jos useammalta vietnamilaiselta leikataan korvat irti.

Toisaalta fyysikoiden saama kokemus isojen projektien vetämisestä ja vuorovaikutuksesta poliittisten päättäjien kanssa vaikutti suurten rauhanomaisten kokeellisten projektien ja tutkimuslaitosten perustamiseen. Yksi esimerkki on CERN, jonka peruskirjassa kielletään sotilaallinen työ ja sitoudutaan julkaisemaan kaikki tulokset, vastakohtana armeijojen salailulle, mikä tulee Oppenheimer-elokuvassa vahvasti esille. Tämä heijastaa kulttuurin eriytymistä tutkimuksen kehittyessä ja fyysikoiden määrän kasvaessa. Nykyään armeijojen tutkijat ja avointa yhteiskuntaa edustavat tutkijat ovat ammatillisesti erillään.

Samalla kun tiede ja teknologia ovat vieneet sivilisaatiomme itsemurhan partaalle, ne ovat tehneet mahdolliseksi maailman, jossa jokainen voisi elää ihmisarvoista elämää. Oppenheimer on poissa, mutta fysiikka on yhä yksi tämän sydäntä pakahduttavan tarinan päähenkilöistä.

Miilut maanalaiset

15.8.2023 klo 19.49, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainitsin atomikellojen yhteydessä ohimennen Oklossa kaksi miljardia vuotta sitten toimineesta ydinreaktorista. Kirjoitan nyt tästä luonnonilmiöstä tarkemmin.

Aine koostuu atomeista, joissa on atomiydin ja sen ympärillä elektroneja. Ytimet rakentuvat protoneista ja neutroneista. Suurin osa ytimistä on epävakaita, eli ne hajoavat jonkun ajan kuluttua. Jos hajoamisessa irronnut neutroni osuu toiseen ytimeen, se voi pistää tämänkin palasiksi.

Vuonna 1938 Joseph Rotblat ja muut fyysikot ymmärsivät, että jos ytimiä on tarpeeksi tiheässä, voi syntyä ketjureaktio, missä jokainen hajoaminen johtaa uusiin hajoamisiin. Puun palaminen toimii samalla tavalla: kun atomista irtoaa elektroneita, tästä vapautuva energia hajottaa lisää atomeita, ja reaktio jatkuu.

Yksi merkittävä ero on se, että protoneita ja neutroneita toisiinsa sitova ydinvuorovaikutus on noin miljoona kertaa vahvempi kuin elektroneja atomiytimessä pitävä sähkömagneettinen vuorovaikutus. Tämän takia ydinten hajottamisesta saa noin miljoona kertaa enemmän energiaa kuin atomien rikkomisesta.

Jos ydinten tiheys on iso, ytimet kuluvat loppuun nopeasti eli energia vapautuu lyhyessä ajassa. Jos ytimet ovat kauempana toisistaan, reaktio voi jatkua pitkään. Ydinpommin ja ydinvoimalan erona on lähinnä reaktion nopeus.

Äärimmäisin esimerkki hitaasta hajoamisesta on löydetty Oklon kaivoksesta Gabonissa. Vuonna 1972 havaittiin, että Oklosta louhitussa malmissa oli tiettyä uraaniydintä vähemmän kuin mitä Maapallolla yleensä. Pian tajuttiin, että syynä on se, että uraaniytimiä oli hajonnut ketjureaktioissa kaksi miljardia vuotta sitten.

Oklosta on paikallistettu 15 ydinreaktoria 10-400 metrin syvyydestä. Ne olivat linssinmuotoisia, noin kymmenen metriä leveitä ja keskeltä vajaan metrin paksuja alueita, joihin oli pakkautunut uraania. Lisäksi maaperässä kallioperässä oli sopivasti vettä. Vettä käytetään myös ihmisten valmistamissa ydinreaktoreissa hidastamaan neutroneita, jotta nämä ehtivät hajottaa ytimiä ennen kuin lentävät pois.

Oklossa ydinten hajoamisesta syntyvä lämpö on lämmittänyt vettä muutamaan sataan asteeseen, kunnes vesi höyrystyy ja reaktori sammuu. Tämä kestää puoli tuntia. Sitten lämpötila laskee ja vesi valuu takaisin reaktoriin, ja kahden ja puolen tunnin kuluttua ketjureaktio alkaa uudelleen. Tätä luonnonkiertoa jatkui 100 000-300 000 vuotta, kunnes tarvittavat uraaniytimet kuluivat loppuun.

Oklo on ainoa tunnettu alue Maan pinnalla Maassa, missä on ollut ydinmiiluja ennen joulukuuta 1942, jolloin ihmiset käynnistivät Chicagossa reaktorin osana joukkotuhoaseiden valmistamista. Mutta muualtakin on löydetty merkkejä siitä, että ytimiä on pakkautunut niin tiheään, että ketjureaktio on ollut lähellä. On siis mahdollista, että luonnon ydinreaktoreita löydetään lisää.

Tällaiset reaktorit tarjoavat havaintoja siitä, millaisia luonnonlait ovat olleet kaksi miljardia vuotta sitten. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen takia protonit hylkivät toisiaan, joten sen voimakkuus vaikuttaa ydinten kokoon ja sitä kautta hajoamiseen. Protonit ja neutronit koostuvat kvarkeista, joten kvarkkien massat vaikuttavat nekin siihen, miten ydinreaktiot tapahtuvat.

Oklon kivistä voi mitata kuinka paljon erilaisia ytimiä syntyi. Vertaamalla havaintoja ennusteisiin saa selville, että kaksi miljardia vuotta sitten sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuus ja kevyiden kvarkkien massat poikkesivat nykyisistä korkeintaan miljoonasosan sadasosan verran.

Kosmologiassa havaitaan menneisyyttä kahdella tavalla: suoraan ja arkeologisesti. Oklon reaktorit, kuten kevyiden alkuaineiden pitoisuudet avaruudessa, ovat esimerkkejä jälkimmäisestä. Ne ovat jäänteitä, joista voi lukea mitä menneinä aikoina on tapahtunut. Toinen vaihtoehto on katsoa menneisyyteen suoraan. Koska valo kulkee äärellisellä nopeudella, mitä kauemmas katsoo, sitä varhaisempaan aikaan näkee.

Vuonna 2011 väitettiin, että miljardien valovuosien takaa tuleva valo näyttää, että sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuus oli muinoin sadastuhannesosan nykyistä pienempi. Tämä olisi mullistava tulos, mutta koska muutos on tuhat kertaa Oklosta pääteltyä rajaa isompi, on syytä suhtautua siihen epäilyksellä. Aiheesta on kiistelty, eivätkä sittemmin tehdyt suoratkaan havainnot tue väitettä.

Tiede ei ole torni, vaan päättelyn ja havaintojen verkko, joten yksi havainto harvoin riittää teorian hylkäämiseen, ja on tärkeää hyödyntää erilaisia tapoja tutkia samoja asioita.

Päivitys (17/08/23): Korjattu kieliasua.

---

Maanmittauksen perusteet

29.6.2023 klo 17.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin viime viikolla Tarton yliopiston konferenssissa Geometric Foundations of Gravity. Vierailin ensimmäisen kerran Tartossa vuonna 2004 Margus Saalin vastaväittäjänä. Nyt Margus on apulaisprofessori (vai liekö jo täysi professori), ja on osallistunut vuosien ajan gravitaatiokokousten järjestämiseen Tartossa. Nämä tapaamiset ovat kasvaneet pienistä keskikokoisiksi, ja paikalle tulee tutkijoita ympäri maailmaa. Osanottajia oli paikan päällä noin 70 ja etänä saman verran.

Konferenssin avasi Roberto Percaccin katsaus yleisen suhteellisuusteorian erääseen muotoiluun. Yleisestä suhteellisuusteoriasta on useita versioita, joissa on erilaisia oletuksia aika-avaruudesta. Yksi tutkituimpia teorioita on sellainen, missä erotetaan toisistaan se onko viiva suora ja onko sen vetämä reitti lyhin – nämä asiat eivät välttämättä liity toisiinsa. Yksinkertaisissa tapauksissa eri versioiden ennusteet ovat samat, mutta varhaisessa maailmankaikkeudessa ja muissa äärimmäisissä olosuhteissa teoriat erottuvat toisistaan.

Percacci on vanhan linjan gravitaatiotuntija, joka katsoo asioita ensisijaisesti aika-avaruuden kautta, ei miettien sovelluksia kosmologiaan tai hiukkasfysiikkaan. Tämä on katoava näkökulma, ja hänen puheensa on oli osoitus siitä, miten gravitaatiosta ja hiukkasfysiikasta voi puhua samalla kielellä yhtä aikaa laajasti ja yksityiskohtaisesti.

Seuraavana oli Verónica Errasti Díez, jonka ala on matemaattinen fysiikka, mikä on teoreettisesta fysiikasta piirun verran kohti matematiikkaa. Leikillisesti voi sanoa, että teoreettisilla fyysikoilla on ongelmia, joihin he etsivät ratkaisuja, kun taas matemaattisilla fyysikoilla on ratkaisuja, joihin he etsivät ongelmia. Toisaalta koska matemaattisessa fysiikassa pyritään samaan täsmällisyyteen kuin matematiikassa, se voi tarjota luotettavia yleisiä tuloksia teorioiden ominaisuuksista.

Diez puhui gravitaatioteorioiden vakaudesta. Vaikka yleiselle suhteellisuusteorialle on esitetty satoja erilaisia laajennuksia, suurin osa niistä ei voi kuvata todellisuutta. Tyypillisesti käy niin, että aika-avaruus ja aine eivät pysy jokseenkin samanlaisena pitkän aikaa, vaan kaikki hajoaa erittäin nopeasti, toisin kuin todellisessa maailmassa. Tämä on hyvä, koska epävakaat teoriat voi sivuuttaa ja keskittyä mahdollisesti toimiviin vaihtoehtoihin.

Diez kertoi oivaltavasti ja selkeästi miten teorian vakauden selvittäminen ei kuitenkaan ole niin helppoa kuin teoreettiset fyysikot ajattelevat. Teoria voi näyttää epävakaalta, mutta tarkemmin katsottuna osoittautua terveeksi, eikä sitä voikaan heittää romukoppaan.

Omassa puheessani hahmottelin hiukkasfysiikan merkitystä gravitaatioteorioille. Tieteenhistorioitsija Thomas Kuhn kirjoitti vuonna 1961, että 50 vuoden kuluttua yleinen suhteellisuusteoria saattaa olla kokonaan unohdettu, koska huolimatta ”epäilyttä nerokkaiden miesten” parhaista yrityksistä siitä oli saatu puristettua ulos vain kolme ennustusta.

Kuhn oli väärässä sekä menneisyydestä ja tulevaisuudesta. Venäläinen fyysikko Aleksandr Fridman oli osoittanut vuonna 1922, että yleinen suhteellisuusteoria johtaa siihen, että maailmankaikkeus laajenee tai supistuu, ja belgialainen tähtitieteilijä Georges Lemaître oli vuonna 1927 johtanut siitä täsmällisen ennustuksen galaksien etäisyyden ja etääntymisnopeuden suhteesta. Se tuli sittemmin tunnetuksi seuraavan löytäjänsä mukaisesti Hubblen lakina.

Mutta Kuhn oli oikeassa siinä, että yleisessä suhteellisuusteoriassa oli 30-50-luvuilla kuiva kausi, ja että ennustusten tekeminen ja tarkistaminen havaintojen avulla on tärkeää teorian kehitykselle. Yksi merkittävä syy siihen, että yleisen suhteellisuusteorian toinen kukoistus alkoi 1960-luvulla oli uudet havainnot kvasaareista (eli nykykielellä isoista mustista aukoista), joiden selittämiseksi Robert Oppenheimer kokosi yhteen hiukkasfyysikoita ja yleisen suhteellisuusteorian tuntijoita.

Nykyään hiukkasfysiikka ja yleinen suhteellisuuteoria kohtaavat kosmologiassa. Puhuin erityisesti siitä, että jos Higgsin kenttä on vastuussa kosmisesta inflaatiosta, niin se voi tuoda joitakin tavoittamattomana pidettyjä kvanttigravitaation piirteitä havaintojen ulottuville.

Konferenssissa oli 64 puhetta, joista suurin osa oli jaettu kahteen ohjelmavirtaan. Itse seurasin enimmäkseen esityksiä gravitaatioteorioista ja kosmologiasta, toisessa virrassa keskityttiin mustiin aukkoihin.

On tavallista, että konferenssipuheista monet ovat turhan yksityiskohtaisia ja siksi vaikeasti seurattavia. Niissä myös vaihtelee se, miten hienostunutta matematiikkaa niissä käytetään, ja miten perusteltuja niiden fysikaaliset ideat ovat. Kehittyneempien menetelmien käyttäminen ei välttämättä tarkoita sitä, että työ olisi merkittävämpää.

Konferensseissa saa muutamassa päivässä tehokkaan katsauksen yhteen fysiikan osa-alueeseen, keksii uusia ideoita ja havaitsee virheitä omassa ajattelussa. Ne myös muistuttavat siitä, miten paljon yksityiskohtaista työtä on pientenkin edistysaskeleiden takana.

Konferenssiin kuului tavalliseen tapaan sosiaalista ohjelmaa, kuten kiertue vanhalla observatoriolla. Sen tarkoitus ei ole vain viihdyttää osallistujia, vaan luoda tilaisuuksia epämuodolliselle vuorovaikutukselle. Teoreettisten fyysikoiden yhteistyö ei synny ylhäältä ohjaamalla, vaan ennustamattomasti ihmisten keskustellessa ja väitellessä.

Tarton yliopiston linjauksen mukaisesti venäläisten ja valkovenäläisten instituuttien tutkijat saivat osallistua konferenssiin vain, jos heillä oli henkilökohtainen kutsu. Euroopassa on tiukasti rajoitettu akateemista yhteistyötä venäläisissä instituuteissa työskentelevien tutkijoiden kanssa. Nämä rajoitukset ovat laajempia ja vähemmän kohdennettuja kuin palestiinalaisen kansalaisyhteiskunnan vaatimus Israelin akateemisesta boikotista, joka on suunnattu instituutioita vastaan, ei yksilöitä.

Fysiikka etenee havaintojen ja teorian yhteispelinä. Tarton tapaaminen oli painottui teoriaan, mutta joitakin siellä esitettyjä teorioita testaa ylihuomenna 1.7. kello 18.11 Suomen aikaa avaruuteen laukaistava Euclid–satelliitti.

---

Kohti kaaren huippua

14.6.2023 klo 15.52, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Satelliitti Euclid laukaistaan viimein heinäkuussa kiertoradalle. Tämänhetkisen aikataulun mukaan Euclid nousee taivaaseen lauantaina 1. päivä kello 18.42 Suomen aikaa. Odottaessa voi ostaa Euclid-paitoja ja muita fanituotteita Euroopan avaruusjärjestö ESAn nettikaupasta.

Euclid on ESAn uusin kosmologiasatelliitti. Edellinen oli 14 vuotta sitten laukaistu kosmista mikroaaltotaustaa katsonut Planck, seuraava on 14 vuoden päähän suunniteltu gravitaatioaaltoja kuunteleva LISA.

Kosmologian havaintoprojekteista on tullut isoja kuin hiukkasfysiikan kokeista. Euclidissa on yli 2 000 tutkijaa 300 instituutista 13 Euroopasta, Japanista, Kanadasta ja Yhdysvalloista. Euroopasta lienee vaikeampi löytää kosmologia, joka ei olisi mukana Euclidissa kuin Euclidin jäseniä.

Suomen osuutta johtaa Hannu Kurki-Suonio Helsingin yliopistosta, ja mukana on tieteilijöitä Helsingin, Turun ja Jyväskylän yliopistoista sekä Aalto-yliopistosta (minäkin). Tieteellisen laskennan keskus CSC on tärkeä kumppani, koska yksi Euclidin datankäsittelykeskuksista tulee Suomeen.

Isojen kokeiden kaari on pitkä. ESA valitsi Euclidin 4. lokakuuta 2011, samana päivänä kun Ruotsin tiedeakatemia päätti myöntää Nobelin palkinnon maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisen havaitsemisesta. Kirjoitin vuonna 2012, että ”jos kaikki tapahtuu ajallaan (mikä lienee isoissa projekteissa poikkeuksellista), satelliitti laukaistaan seitsemän vuoden kuluttua”. Yksi viimehetken syy viivästymiseen on ollut se, että Euclid oli tarkoitus laukaista venäläisellä Soyuz-raketilla, mutta Venäjän hyökättyä Ukrainaan tilalle vaihdettiin SpaceX:n raketti Falcon 9 Block 5.

Planck teki maailman tarkimmat mittaukset koko kosmisesta mikroaaltotaivaasta, ja sen dataa käytetään vielä vuosikymmeniä. Euclidilla on vastaava rooli mitä tulee ison mittakaavan rakenteeseen eli galaksien, galaksiryppäiden ja muiden kosmisten kappaleiden jakaumaan. Ison mittakaavan rakenne on kosmisen mikroaaltotaustan ohella yksi kosmologian keskeisiä havaintokohteita.

Euclid kuvaa kolmanneksen taivaasta miljardien valovuosien päähän näkyvällä ja infrapuna-aallonpituudella. Lisäksi se mittaa pienen palan taivasta syvemmälle, ja näkee sieltä muun muassa varhaisten aikojen jättimäisten mustien aukkojen ympärille kertyneiden kiekkojen säteilyä.

Koska valo kulkee äärellisellä nopeudella, kun katsoo kauas paikassa näkee pitkälle menneisyyteen. Euclid siis havaitsee, miten aineen jakauma kehittyy maailmankaikkeudessa miljardien vuosien aikana. Yksi Euclidin tavoite on mitata muun aineen läpi virtaavien neutriinoiden massat havaitsemalla niiden vaikutus rakenteiden kehitykseen. Euclid myös tekee tarkkoja mittauksia varhaisen maailmankaikkeuden ääniaaltojen jalanjäljistä.

Galaksien paikkojen lisäksi Euclid mittaa puolentoista miljardin galaksin muodot. Meidän ja galaksien välinen aine taittaa galakseista tulevaa valoa. Niinpä muotojen vääristymästä voidaan päätellä kuinka paljon pimeää ainetta maailmankaikkeudessa on näkyvän aineen lisäksi.

Euclid näkee 200 000 galaksin ja 5 000 galaksiryppään taittavan valoa niin vahvasti, että taustalla olevien galaksien kuvat venyvät kaariksi ja hajoavat osiin. Nämä harvinaiset ilmiöt ovat hyödyllisiä testikappaleita. Nykyään tällaisia hyvin mitattuja systeemejä on vain joitakin kymmeniä.

Euclidin pääasiallinen tutkimuskohde on avaruuden laajenemisen kiihtyminen, jolle suosituin selitys on pimeä energia. Satelliitti on nimetty ”geometrian isänä” tunnetun kreikkalaisen matemaatikon Eukleideen mukaan, ja sen alkuperäisessä logossa oli vanha parrakas mies mittaamassa maailmankaikkeutta. Nimi viittaa siihen, että maailmankaikkeuden laajeneminen on aika-avaruuden kaarevan geometrian ilmentymä.

Vaikka Euclid suuntaa katseensa kauas, se näkee myös lähelle. Euclidin kuvissa arvioidaan näkyvän noin 150 000 Aurinkokunnan asteroidia, ja se erottaa yksittäisiä tähtiä jopa 20 miljoonan valovuoden päästä. Yksi kiinnostava kohde on 65-135 Auringon massan painoisten tähtien hajoamisesta syntyvät supernovat, joita Euclid voi nähdä paljon kauempaa. Niitä ei ole toistaiseksi havaittu ainuttakaan, ja gravitaatioaaltohavainnot saattavat viitata siihen, että jotakin noissa tähdissä ei ymmärretä.

Euclidilla kestää kuukausi kiivetä 1.5 miljoonan kilometrin päähän Maapallosta. Käyttöönotto ja koeaika kestää kolme kuukautta, eli tieteelliset havainnot alkavat marraskuussa. Satelliitti liikkuu Maan mukana Auringon ympäri. Mittausdataa kertyy 100 GB päivässä.

Euclidin on määrä tehdä havaintoja ainakin kuusi vuotta, mutta viralliset tavoitteet ovat varovaisia ja usein satelliitit kestävät suunniteltua pidempään. Planckin arvioitu kesto oli kaksi ja puoli vuotta, mutta se teki mittauksia yli neljä vuotta, kunnes lopulta jäähdytinaine loppui.

Tavallisen käytännön mukaan Euclid-ryhmä analysoi ensin itse datan ja tekee siitä analyysin, sen jälkeen data annetaan kaikkien käyttöön. Ensimmäiset tulokset ja havainnot on tarkoitus julkistaa vuonna 2025, ja kaiken datan pitäisi olla julkista 2030. Suurimman osa Euclidin havaintoja käyttävästä tieteestä tekevät muut kuin Euclid-ryhmä. Euclidin kaari jatkuu kauan sen jälkeen kun satelliitti on sammutettu ja heitetty pois avaruuteen.

---

Kulta-ajan neljäs kausi

25.5.2023 klo 21.13, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Gravitaatioaalto-observatorioiden nelikko LIGO, Virgo ja KAGRA aloitti eilen neljännen kautensa. Se oli ollut poissa pelistä sen jälkeen kun kolmas havaintokausi loppui maalis-huhtikuussa 2020. Laitteita on kolmen vuoden aikana huollettu ja kehitetty.

Japanissa Ikenoyama-vuoren sisällä istuva KAGRA osallistuu tälle kaudelle entistä täysipainoisemmin. Laite otti ensimmäisen kerran dataa vuonna 2016, joskin lähinnä laitteiden testaamiseksi. KAGRA osallistui kolmannelle havaintokaudelle vain kaksi viimeistä viikkoa, ja nyt se on aluksi mukana vain kuukauden. Sen jälkeen laitetta parannellaan, ja se palaa myöhemmin mukaan. KAGRAssa on osittain kehittyneempää teknologiaa kuin LIGOssa, mutta ilmeisesti kestää odotettua kauemmin, että se saadaan toimimaan kunnolla. Italiassa oleva Virgo puolestaan aloittaa vasta myöhemmin tänä vuonna. Aluksi pääpaino on siis LIGOn kahdessa Yhdysvalloissa sijaitsevassa havaintolaitteessa, jotka tekivät myös ensimmäiset havainnot.

LIGOlla ja Virgolla on ollut onnea matkassa. Ensimmäisen kauden alussa syyskuussa 2015 LIGO näki kauniin musta aukko -parin törmäyksen ennen kuin laitteet olivat edes varsinaisesti aloittaneet tiedehavaintoja.

Toisella kaudella LIGO ja Virgo näkivät törmäyksen, jossa ainakin toinen osapuoli oli neutronitähti ja josta siksi nähtiin gravitaatioaaltojen lisäksi myös valosignaaleja monilla aallonpituuksilla. Tämä oli vastaansanomaton todiste siitä, että laitteet todella näkevät gravitaatioaaltoja, ja niiden yhdistäminen sähkömagneettisiin havaintoihin avasi uusia mahdollisuuksia. Toistaiseksi haaviin ei ole jäänyt muita tapauksia, joissa olisi nähty törmäys eri sanansaattajien kautta. Toisen kauden jälkeen lokakuussa 2017 LIGOn löydöistä myönnettiin Nobelin palkinto.

Kolmannen kauden merkittävin piirre oli laitteiden kehittymisestä seurannut havaintojen määrän kasvu. Ensimmäisellä ja toisella kaudella tehtiin yhteensä vain 11 havaintoa, kolmannella kaudella LIGO ja Virgo näkivät 79 gravitaatioaaltoa. Tämä teki mahdolliseksi yksittäisten tapausten lisäksi mustien aukkojen väestön ominaisuuksien tutkimisen. Jotkut havainnot olivat outoja, koska niissä näkyi kohteita, jotka vaikuttavat joko liian pieniltä mustaksi aukoksi mutta turhan raskaita neutronitähdiksi, tai liian keskiraskailta mustiksi aukoiksi, jotka ovat syntyneet tähden romahtaessa.

Alkuun jokainen havainto tuntui läpimurrolta, mutta kolmannella kaudella niistä tuli arkea, kun satoja miljoonia vuosia sitten törmänneiden mustien aukkojen synnyttämiä avaruuden värähtelyjä havaittiin kerran-pari viikossa. Applella on appi, jolla saa puhelimeen viestin kun gravitaatioaalto on kulkenut Maan läpi. Jos on kiinnostunut yksityiskohdista, niin LIGO-Virgo-KAGRA-ryhmällä on sivu, mistä löytyy dataa ja neuvoja.

Neljännen kauden on määrä kestää 20 kuukautta, joista 18 kuukautta on havaintoaikaa. Kolmannella kaudella tehtiin 11 kuukautta havaintoja. Lisäksi laitteet ovat nyt entistä 30% herkempiä, eli odotettavissa on yli 150 uutta havaintoa. Pitkä aika auttaa myös kaivamaan pitkäkestoisia mutta heikkoja signaaleja kohinan seasta, kuten pyörivien neutronitähtien pinnalla olevien vuorten jalanjälkiä.

Odotetaan erityisesti, että nähdään lisää neutronitähtien törmäyksiä sekä gravitaatioaaltojen että valon avulla. Koska neutronitähdet ovat kevyempiä kuin mustat aukot, niiden synnyttämät gravitaatioaallot ovat heikompia.

Tällä hetkellä LIGO näkee neutronitähtien törmäyksiä 520 miljoonan valovuoden päästä, KAGRA vain kolmen miljoonan. Virgo on siinä välissä, noin 150 miljoonalla valovuodella. Ennusteiden mukaan näillä etäisyyksillä tapahtuu yhdestä kymmeneen tällaista törmäystä vuodessa. Eri teleskoopit ja satelliitit ovat valmiina suuntaamaan katseensa sinne kohtaa taivasta mistä gravitaatioaaltoja tulee heti saatuaan LIGOlta ja kumppaneilta sanan. Mitä useampia havaintolaitteita on eri paikoissa, sitä tarkemmin saadaan määritettyä, mistä suunnasta gravitaatioaallot tulevat, ja sitä helpompi on etsiä tapahtuman lähettämää valoa.

Viime kuussa Intian hallitus antoi lopullisen luvan kolmannelle LIGO-observatoriolle, joka rakennetaan lähelle Aundhan kaupunkia Intiassa. Laite tunnetaan nimillä LIGO-India, IndIGO ja LIGO-Aundha. Alun perin puhuttiin, että se aloittaisi toiminnan jo 2024. Nyt näyttää siltä, että LIGO-India tulee mukaan vasta LIGOn ja kumppaneiden viidennelle kaudelle, jonka on määrä alkaa vuonna 2027. Tällöin myös Virgon ja KAGRAn on määrä saavuttaa lähes yhtä iso herkkyys kuin LIGOn.

Viidennen havaintokauden lopusta vuonna 2029 on alle vuosikymmen siihen, kun satelliittikolmikon LISA on määrä nousta Aurinkoa kiertävälle radalle mittaamaan törmäävien galaksien keskustojen jättimäisten mustien aukkojen lähettämiä gravitaatioaaltoja. Toistaiseksi niitä on nähty ainoastaan valolla. LISAn laukaisu on viivästynyt vielä pari vuotta sitten tavoitteena olleesta vuodesta 2034 vuoteen 2037. Tämä on isoille ja uutta teknologiaa käyttäville kokeille tavallista. Viive antaa nopeasti etenemään pyrkiville kiinalaisille satelliittihankkeille TianQin ja Taiji lisäaikaa kiriä ohi.

Jättimäisten mustien aukkojen gravitaatioaaltohavainnot saattaa kuitenkin korkata NANOGrav, joka mittaa häiriöitä pyörivien neutronitähtien lähettämissä radioaalloissa. Tästä julkaistiin kutkuttavia vihjeitä 2020, ja varmistusta odotettiin vuodelle 2021. Tänä keväänä on kuulunut huhuja siitä, että löytö julistettaisiin pian. Varmaa on se, että nyt on gravitaatioaaltojen ja mustien aukkojen kulta-aika, ja havainnot ja teoria kehittyvät koko ajan.

---

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.