Kosmokseen kirjoitettua

Tieteellisen julkaisemisen tulevaisuus

7.12.2023 klo 16.16, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

Henkien kätkemä

3.12.2023 klo 22.49, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Onnellinen unohdus

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Muinainen ja tuleva kaarevuus

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Viestinviejä naulavuoteella

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

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

---

Viidakon lait

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

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!