Kosmokseen kirjoitettua

Schrödingerin raketti

21.3.2023 klo 22.57, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Mikä menee pieleen

28.2.2023 klo 11.54, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Oletetusti väärin

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Palikkatesti

30.1.2023 klo 22.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Sulka ja vasara

24.1.2023 klo 19.53, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Viestinviejä naulavuoteella

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

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

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

---

Tuulien kääntymistä

22.12.2022 klo 19.24, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Hiukkasfysiikan Standardimalli on yksi ihmiskunnan suuria saavutuksia. Se kuvaa kaikkia tunnettuja hiukkasia ja vuorovaikutuksia gravitaatiota lukuun ottamatta. Standardimalli on ennustanut yli neljän vuosikymmenen ajan oikein kaikkien hiukkaskiihdyttimissä tehtyjen kokeiden tulokset, jotkut miljardisosan tarkkuudella.

Kokeellisen menestyksen taustalla on hienostunut teoreettinen rakenne nimeltä kvanttikenttäteoria, joka yhdistää kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian. Ensimmäinen Standardimallin osa, sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvaava kvanttielektrodynamiikka, löydettiin 1948. Se selitti ja ennusti tarkasti vetyatomin rakenteen ja muita ilmiöitä. Vuonna 1954 kuitenkin Aleksei Abrikosov, Isaak Khalatnikov ja Lev Landau osoittivat, että sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuus kasvaa energian myötä ja muuttuu lopulta äärettömäksi, mikä on matemaattisesti ristiriitaista.

Monet päättelivät tästä, että kvanttikenttäteoriassa on jotain perustanlaatuista vikaa ja hiukkasfysiikassa pitää suunnata muille reiteille. Kaksi tapahtumaa vaikutti merkittävästi siihen, että kvanttikenttäteoria palasi suosioon ja Standardimallista tuli standardi.

Yksi läpimurto tuli vuonna 1973 Standardimallin toisesta osasta. Silloin osoitettiin, että värivuorovaikutusta kuvaavassa kvanttikromodynamiikassa voimakkuus pienenee energian myötä. Tämä osoitti, että kaikilla kvanttikenttäteorioilla ei ole Landaun ja kumpp. löytämää ongelmaa.

Toinen mullistava tulos oli saatu kahta vuotta aiemmin, kun jatko-opiskelija Gerardus ‘t Hooft ja hänen väitöskirjaohjaajansa Martinus J. G. Veltman osoittivat, että Standardimallissa hiukkasilla on vain äärellinen määrä tapoja vuorovaikuttaa keskenään.

Kvanttikenttäteorioissa kvanttifysiikan vuorovaikutusten kokonaisuus on hyvin monimutkainen. Siksi kvanttikenttäteorioita rakennetaan lähtemällä teoriasta, jossa ei ole mukana kvanttifysiikkaa, ja kvanttiefektejä otetaan mukaan pala kerrallaan. Kvanttiefektit voivat joka askeleella tuoda teoriaan uusia vuorovaikutuksia, joita ei alun perin ollut mukana. (Murray Gell-Man nimesi tämän totalitaristiseksi periaatteeksi: kaikki mikä ei ole kiellettyä on pakollista.)

Asiaa voi havainnollistaa vertaamalla Isaac Newtonin gravitaatioteoriaan, missä kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Jos kyseessä olisi kvanttikenttäteoria, kvanttiefektit toisivat gravitaatiovoimaan mukaan osia, jotka heikkenevät nopeammin etäisyyden kasvaessa: kuten etäisyyden kolmas potenssi, neljäs potenssi, ja niin edespäin.

Suurimmassa osassa kvanttikenttäteorioita on niissäkin äärettömän monta erilaista vuorovaikutusta, eikä teoriasta voi laskea, miten voimakkaita ne ovat. Niinpä oikeastaan mitään ei voi ennustaa, koska on äärettömän monta numeroa, joita sovittaa havaintoihin.

Joidenkin poikkeuksellisten kvanttikenttäteorioiden rakenne kuitenkin sallii vain äärellisen (ja yleensä pienen) määrän erilaisia vuorovaikutuksia. ’t Hooft ja Veltman osoittivat, että Standardimalli on tällainen teoria. Tämä oli mullistava tulos: se osoitti, että Standardimalli on vakaalla pohjalla ja sen ennustuksiin voi luottaa. Standardimallista tuli hiukkasfysiikan vuorenhuippu, ja ’t Hooftille ja Veltmanille myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1999.

Tuloksen merkitystä kuvaa se, että se palkittiin Nobelilla, vaikka ’t Hooft ja Veltman eivät ennustaneet eivätkä löytäneet mitään, vaikka palkinnon lehdistötiedotteessa Standardimalliin liittyviä kokeita korostetaankin. Yleensä fysiikan Nobeleita annetaan vain kokeellisesti varmistetuista löydöistä.

Vuosikymmenien varrella suhtautuminen ’t Hooftin ja Veltmanin tulokseen on kuitenkin muuttunut. Eräs hiukkasfysiikan kärkihahmona pidetty teoreetikko on peräti sanonut, että sillä ei ole mitään merkitystä.

Syynä on se, että Standardimalliin ja muihin hiukkasfysiikan teorioihin on ruvettu suhtautumaan vain approksimaatioina, joiden pätevyysalue on rajallinen. Tällöin ei haittaa, vaikka teoriasta ei voi tehdä tarkkoja ennustuksia tai se ei ole ristiriidaton, kunhan siitä voi ennustaa jotain, vaikka vähemmän perustellusti. Tämä lähestymistapa tunnetaan nimellä efektiivinen kenttäteoria, missä ensimmäinen sana viittaa siihen, että teoria toimii vain rajatulla alueella.

Palataan vertaukseen, missä kvanttiefektit lisäisivät Newtonin gravitaatiovoimaan osia, jotka riippuvat eri tavalla etäisyydestä. Jos teoria käyttäytyy kuten Standardimalli, erilaisia osia on vain pieni määrä. Jos se käyttäytyy kuten efektiivinen kenttäteoria, voiman osia on äärettömästi, mutta ne joiden voimakkuus laskee nopeasti etäisyyden kasvaessa voi sivuuttaa kun kappaleet ovat tarpeeksi kaukana toisistaan. Teoria siis pätee isoilla etäisyyksillä, kunhan nopeasti heikkenevät osat ovat tarpeeksi pieniä eikä lasketa liian tarkasti.

Samalla kun ’t Hooftin ja Veltmanin tuloksen arvostus on laskenut, heidän sen todistamisessa käyttämänsä renormalisaationa tunnetun menetelmän merkitys on noussut yhdessä efektiivisen kenttäteorian myötä. Renormalisaatiossa lasketaan miten pienen mittakaavan ilmiöt vaikuttavat isomman mittakaavan tapahtumiin. Renormalisaatiota käytettiin hiukkasfysiikassa jo ennen ’t Hooftin ja Veltmanin työtä, ja nykyään se on osana efektiivistä kenttäteoriaa keskeinen työkalu fysiikan eri aloilla, kuten kiinteän olomuodon fysiikassa (vaikkapa puolijohteiden ymmärtämisessä) tai sen tutkimisessa, millaisia rakenteita galaksit muodostavat.

Toisaalta Standardimallin suhteen tuuli on taas kääntymässä. Vastoin odotuksia hiukkaskiihdytin LHC ei olekaan löytänyt uutta fysiikkaa, vaan on sen sijaan jatkanut Standardimallin ennusteiden varmentamista. Tämä on saanut jotkut tutkijat ottamaan Standardimallin entistä vakavammin. Teoriat joissa hiukkasilla on vain äärellinen määrä tapoja vuorovaikuttaa ovat hyvin poikkeuksellisia. Onko sittenkään sattumaa, että Standardimalli, joka kuvaa havaintoja odotettua paljon paremmin, on tällainen teoria? Asiasta ei ole selvyyttä, ja voi olla että Standardimallin ymmärtämisessä on edessä vielä uusi läpimurto.

Naulavuoteella kävelemistä

14.12.2022 klo 21.40, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vuoden lopulla Helsingin yliopiston fysiikan osasto pyytää tutkijoita kirjoittamaan ymmärrettävän tiivistelmän jostakin vuoden aikana julkaistusta tuloksesta, joita se sitten nostaa sivuilleen. Viime vuonna poimin esimerkiksi työmme mustien aukkojen parissa (löytyy otsikon ”Quantum kicks have a big effect on abundance of Eros-mass black holes” alta), josta olen kirjoittanut täällä blogissakin. Tänä vuonna valitsin Sofie Marie Koksbangin ja minun artikkelin siitä, miten pimeän aineen hiukkasluonne vaikuttaa valon kulkuun.

Suurin osa päätelmistämme maailmankaikkeudesta perustuu valoon. Laskettaessa ennusteita sille, miltä maailmankaikkeus näyttää, yleensä oletetaan, että valo kulkee suorinta reittiä aika-avaruudessa. Jotta tämä pitäisi paikkansa, valon aallonpituuden pitää olla paljon pienempi kuin aika-avaruuden kaarevuuteen liittyvät etäisyydet, muuten valo poikkeaa suoralta polulta.

Aika-avaruutta voi ajatella maastona, jonka korkeus kuvaa aika-avaruuden kaarevuutta. Valon aallonpituutta voi verrata kävelijän askelpituuteen. Jos askel on paljon pienempi kuin etäisyys, millä maasto kaartuu, niin matkaaja kulkee kuin tasaisella maalla, vaikka hiljakseen menisikin ylös tai alas, ja kävely sujuu samaan tapaan kaikkialla. Jos maasto sen sijaan kaartuu askelkokoon verrattavassa tai pienemmässä mittakaavassa, sen muoto vaikuttaa siihen miten siinä liikkuu.

Valon tapauksessa asiaa voi katsoa myös energian kautta. Mitä pienempi valohiukkasen eli fotonin aallonpituus on, sitä korkeampi sen energia on. Kun fotonin energia on tarpeeksi iso, aika-avaruuden paikalliset vaihtelut eivät vaikuta siihen, vaan se pyyhältää niiden läpi muuttumatta.

Aika-avaruuden kaarevuus riippuu aineen tiheydestä. Mitä tiukemmin massa on pakkautunut, sitä isompi on kaarevuus. Tähtitieteellisten kappaleiden kuten tähtien ja galaksien aiheuttama kaarevuus on mitättömän pieni verrattuna kosmologiassa havaittavan valon energiaan.

Mutta valtaosa maailmankaikkeuden aineesta on (luultavasti) pimeää ainetta. Suurimmassa osassa pimeän aineen malleista se koostuu yksittäisistä hiukkasista. Vaikka hiukkasen massa on paljon pienempi kuin tähden, se on pakkautunut hyvin pieneen tilaan, joten tiheys ja siksi myös kaarevuus voi olla iso.

Vaikuttaako tämä kaarevuus valon kulkuun? Selvittääksemme asiaa Sofie ja minä kehitimme uudenlaisen tavan kuvata valon matkaamista, jossa kaarevuus otetaan huomioon.

Osoittautui, että kun fotoni kulkee pimeän aineen hiukkasen läpi, pimeän aineen hiukkasen aiheuttama kaarevuus antaa fotonille massan, joka on sitä isompi mitä suurempi kaarevuus on. Tämä muistuttaa sitä, miten Higgsin kenttä antaa massan hiukkasille kun ne matkaavat sen läpi. Higgsin kentän tapauksessa tosin on kyse hiukkasfysiikan vuorovaikutuksista, tässä gravitaatiosta. Toisekseen Higgsin kenttä on kaikkialla, kun taas pimeän aineen hiukkasia on harvassa.

Pimeän aineen hiukkasten tyypillinen etäisyys toisistaan on noin metri tai pidempi, hiukkasten massasta riippuen. Käsittelyssämme yhden hiukkasen massa on jakautunut alueelle, joka on hiukkasfysiikan suuruusluokkaa. Aika-avaruuden kaarevuuden maasto koostuu siis toisistaan kaukana olevista kapeista huipuista.

Jos valon energia on iso eli aallonpituus pieni, huiput eivät vaikuta sen kulkuun. Jos valon energia on pienempi kuin kaarevuuden antamaan massaan liittyvä energia, valo ei voi kulkea pimeän aineen hiukkasten läpi, koska sillä ei ole tarpeeksi energiaa jotta pääsisi pimeän aineen sisälle. Samasta syystä arkisessa ympäristössämme näkyvä valo ei pääse sisälle metalleihin. Matkatessaan niissä valo saisi massan, joka on isompi kuin fotonin energia. Jos valon energia tarpeeksi korkea, kuten röntgensäteillä, se kulkee metallienkin läpi.

Huomasimme, että tärkeää on myös se, miten nopeasti kaarevuus muuttuu. Koska hiukkaset ovat pieniä, niiden läpi mentäessä kaarevuus vaihtuu nopeasti. Saimme tulokseksi, että jos pimeän aineen hiukkasen massa on yli 10% protonin massasta, kaarevuuden nopea vaihtuminen muuttaa täysin sen, miltä kosminen mikroaaltotausta näyttää: naulojen jäljet näkyvät. Koska vaikutus riippuu fotonin energiasta, lyhemmän aallonpituuden valo ei sen sijaan juuri muutu: se kävelee ongelmitta naulatyynyllä.

Ajattelimme, että tämä saattaisi selittää kosmologian tämän hetken isoimman ristiriidan havaintojen ja teorian välillä. Kun maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden määrittää kosmisesta mikroaaltotaustasta ja supernovista, saa eri tuloksen. Näihin kahteen erilaiseen havaintoon pohjaavassa tarkastelussa on paljon eroja, mutta me kiinnitimme huomiota siihen, että ne pohjaavat erilaiseen valoon. Supernovien valo on näkyvällä ja infrapuna-alueella, eli sen energia on isompi kuin mikroaaltotaustan fotonien.

Löytämämme vaikutus menee kuitenkin havaintojen kannalta väärään suuntaan. Vaikka pimeän aineen massa olisi sopiva, niin että se vaikuttaisi mikroaaltoihin mutta ei infrapunavaloon, tämä vain pahentaisi ristiriitaa. Niinpä käteen jää vain raja sille, miten raskasta pimeä aine voi olla, jotta sen vaikutusta ei näkyisi mikroaaltotaustassa. Raja on suhteellisen tiukka, ja sulkisi pois ison määrän pimeän aineen malleja.

Päättelymme ei kuitenkaan ole aukotonta. Otimme huomioon aika-avaruuden kaarevuuden, mutta jätimme pois muita valon kulkuun vaikuttavia tekijöitä, jotka voivat olla merkittäviä. Käsittelymme siitä, miten massa jakautuu hiukkasten sisällä oli myös hyvin yksinkertainen. Pitäisi tutkia tarkemmin, miten hiukkasten kvanttimekaaninen todennäköisyysjakauma leviää kun ne kelluvat avaruudessa vuorovaikuttaen hyvin heikosti ympäristönsä kanssa.

Voi olla, että johtopäätöksemme vielä muuttuvat, mutta minusta tämä on hauska tapa mahdollisesti saada tietoa pimeän aineen hiukkasluonteesta valon ja gravitaation kautta, ja odotan että pääsen jatkamaan sen parissa vuonna 2023.

---

Matkakertomuksia

27.11.2022 klo 01.59, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kesällä kuulin konferenssissa Jocelyn Bell Burnerin puheen, missä hän suositteli teosta The Sky is for Everyone. Nyt luin kirjan, ja se onkin kiinnostava.

Kirja alkaa luettelomaisella esittelyllä joistakin tähtitieteessä 1800-luvulta alkaen toimineista naisista. Sen varsinainen anti on 37 seuraavaa lukua, joissa kussakin yksi naistähtitieteilijä kirjoittaa urastaan. Heidän kertomuksensa on järjestetty väittelemisajankohdan mukaan vuodesta 1963 vuoteen 2010. Mukaan on valittu vain hyvin ansioituneita tutkijoita, ja kirja näyttää läpileikkauksen tähtitieteen kehitykseen ja läpimurtoihin viimeisten 60 vuoden ajalta.

Suurin osa kirjoittajista on työskennellyt ainakin osittain Yhdysvalloissa, mutta käsiteltyä tulee myös ainakin Iso-Britannian, Brasilian, Israelin, Etelä-Afrikan, Puolan, Japanin, Liettuan, Kiinan, Meksikon ja Intian tieteellistä yhteisöä ja kulttuuria.

Olen aiemmin maininnut, että naisfyysikoiden kertomukset omista kokemuksista valaisevat sitä miten sukupuoleen kohdistuvissa asenteissa ja säännöissä on tapahtunut kehitystä ja mitä on vielä korjattavana. Kirja kehystää näkyväksi sitä, miksi naiset ovat historiallisesti ja yhä aliedustettuina niin tähtitieteessä kuin muualla fysiikassa. (Lisää aiheesta täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä.)

Kun Bell Burner oli väitöskirjaopiskelija, hän löysi vuonna 1967 yhdessä ohjaajansa Antony Hewishiä kanssa pulsarit. Toimittajat kysyivät Hewishiltä tieteestä, Bell Burnerilta taasen vyötärön, lantion ja poven mitoista sekä poikaystävien määrästä, ja pyysivät häntä avaamaan paidan nappeja valokuvia varten.

1960-luvulla Yhdysvalloissa saattoi käydä niin, että vaikka nainen palkattiin tutkijaksi, hänen saapuessaan yliopistoon kävi ilmi, että hänelle ei anneta työhuonetta tai makseta mitään. Palkkaa pyytäessä saattoi saada vastaukseksi, että ethän tarvitse rahaa muuhun kuin turkiksiin ja hajuvesiin, koska miehesi on töissä. Jos palkkaa saikin, se oli tuntuvasti pienempi kuin miehillä.

Yhdysvalloissa ei 1960-luvulla ollut tähtitieteestä väitelleille työpaikkailmoituksia. Hakemusten arvioimisen sijaan paikat jaettiin sen mukaan, kuka alaa johtavista miehistä soitti kenellekin suositellakseen omia opiskelijoitaan. Toisaalta tilannetta helpotti se, että avoimia työpaikkoja suhteessa valmistuneiden määrään oli enemmän kuin nykyään.

Sen lisäksi, että naisia ei pidetty pätevinä, myös avoimesti sanottiin, että heitä ei kannata palkata, koska naiset joko menevät naimisiin ja siksi lopettavat, tai eivät mene naimisiin ja aiheuttavat siksi harmia mieskollegoiden keskuudessa. Uhkaukset irtisanomisesta raskauden takia eivät olleet tavattomia.

Mielenkiintoinen vivahde syrjinnässä olivat ”nepotismin vastaiset” säännöt yliopistoissa, jotka kielsivät henkilökunnan perheenjäsenten palkkaamisen. Niitä käytettiin naisten palkkaamisen estämiseen, monet naistähtitieteilijät kun olivat naimisissa kollegan kanssa.

Avoin seksuaalinen häirintä tulee kirjassa esille, mutta myös se, miten mielestään mukavatkin tutkijat ovat saattaneet olla epämiellyttäviä. Roberta A. Humphreys kertoo, miten hänen vanhemmalla yhteistyökumppanillaan Allan Sandagella oli tapana aloittaa puhelunsa sanomalla ”hei prinsessa, Allan-setäsi tässä”. Humphreys kirjoittaa, että hänelle tuli mieleen prinsessa Leia ja Darth Vader. Toisaalta monet kirjoittajat etenkin alkupuolelta mainitsevat, miten tärkeää on ollut heitä tukeneiden ja tasa-arvoisesti kohdelleiden vanhempien miestutkijoiden tuki. Akateemisessa yhteisössä onkin vaikea edetä, sukupuolesta riippumatta, ilman korkeammassa asemassa olevien tukea.

Myös aviomiesten tuki lasten hankkimisen ja tieteellisen työn yhdistämisessä sekä laajemmin tulee vahvasti esille. Kertomuksissa alalle päätymisessä korostuu populaarien tiedekirjojen, scifin, innostavien ja asiantuntevien opettajien sekä kannustavien vanhempien merkitys.

Jotkut kirjoittajat sanovat, että eivät ole havainneet sukupuolestaan olleen heille tieteessä haittaa, tai jopa että siitä on ollut etua, koska he ovat erottuneet joukosta ja jääneet paremmin mieleen. Toiset toteavat, että he ovat olleet sokeita naisten kohtaamille ongelmille, koska eivät ole halunneet keskittyä niihin, ovat kasvattaneet paksun nahan ja karistaneet epämiellyttävät asiat mielestään.

Vaikka uudemmissa kirjoituksissa tulee esille vähemmän epäasiallista kohtelua kuin vanhemmissa, se korostuu enemmän. Tämä voi johtua osittain siitä, että se on tuoreemmassa muistissa, eikä ole yhtä hyväksytty osa työyhteisöä. Nuoremmalla sukupolvella tuntuu myös olevan syrjinnän hahmottamiseen ja vastustamiseen enemmän työkaluja. Loppupuolella tähtitieteilijöiden kirjon laajeneminen tuo mukaan rodullistamisen ongelmat.

On kiinnostava lukea erilaisista taustoista tähtitieteen eri aloille päätyneiden tutkijoiden kuvauksia tieteellisestä matkastaan. Heidän henkilökohtainen tarinansa kytkeytyy laajempaan yhteiskunnalliseen taustaan, joskus kirjan sortoon liittyvää aihepiiriä tahattomasti havainnollistaen. Paljon kertoo myös se, mitä ei sanota, ja itseään edistyksellisinä pitävät tutkijat saattavat kyseenalaistamatta omaksua käsityksiä yhteiskunnasta, jossa ovat kasvaneet.

Israelilainen Neta Bahcall esittää Israelin kolonialistiset sodat sotina henkiinjäämisestä. Israelilainen Dina Prialnik julistaa ”muurien kaatamisen” tärkeyttä yhteiskunnassa, vaikuttaen sokealta sille, että elää rotuerotteluun perustuvassa yhteiskunnassa. Hän ollut vararehtorina Tel Avivin yliopistossa, joka aktiivisesti tukee apartheidia ja auttaa ylläpitämään sotilasmiehitystä. Yhdysvaltalainen France Córdova hehkuttaa Israelin miehittämiä alueita osana Israelia rauhan nimessä. On vaikea uskoa, että keneltäkään hyväksyttäisiin kirjaan vastaavaa tekstiä Venäjän miehittämistä alueista.

Kirjassa on myös toisenlaisia näkökulmia sotaan ja rotusortoon. Judith (Judy) Gamora Cohen kirjoittaa osallistumisesta Vietnamin sodan vastaisiin mielenosoituksiin. Gillian (Jill) Knapp korostaa organisoimiensa vankiloissa pidettävien yliopistokurssien konkreettista merkitystä rasisminvastaiselle työlle Yhdysvalloissa. Patricia Anna Whitelock kertoo aktivismistaan poliittisten vankien puolesta apartheidin ajan Etelä-Afrikassa.

Henkilökohtainen ote tuo hyvin esille myös intohimon tieteeseen: sivuilta loistaa tutkimuksen jännitys, kuten myös saavutuksiin vaadittava panostus. Kirjoittajat ovat hyvin valikoitu joukko, eikä heidän kokemuksensa ole tyypillinen, vaan edustaa menestynyttä kärkeä. Kirja on positiivinen ja innostunut.

Niin kilpailu rahoituksesta kuin teleskooppien nimet tulevat lukujen edetessä tutuksi, ja tarinassa näkee tähtitieteen kentän kasvun eksoplaneettoihin, kosmiseen mikroaaltotaustaan ja gravitaatioaaltoihin asti. On hauska seurata, miten mahdottomina tai tyhjänpäiväisinä pidetyistä tutkimuskohteista tulee ensin juhlittuja läpimurtoja ja sitten arkea. Kehityksestä näkyy, miten tähtitieteessä on säilynyt vahva yhteys teorian ja kokeiden välillä. Hiukkasfysiikassahan tämä suhde on viime vuosikymmeninä heikentynyt.

Kirjasta tulee hyvin esille se, että –kuten Beatriz Barbuy omassa luvussaan kirjoittaa– tieteellinen työ muodostaa ison osan tekijänsä identiteettiä. Näissä tähtitiedettä eteenpäin vieneiden naisten kuvauksissa välittyy myös tutkijoiden identiteetin vaikutus tutkimukseen. Ne kertovat –hyvässä ja pahassa– tutkijoiden vahvoista siteistä, tieteen yhteisöllisyydestä ja tiedeyhteisön suhteesta yhteiskunnan kehitykseen, paljon laajemmin kuin yhdellä tieteenalalla ja 37 ihmisen työssä.

---

Myös me, kierros 4/We too, round 4

17.11.2022 klo 23.12, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

(The case of Christian Ott has attracted international attention, so this post is both in Finnish and English. The English version is below the Finnish text. See also these three earlier posts on the topic.)

(Tämä on jatkoa kolmelle aiemmalle merkinnälle.)

Varsinais-Suomen käräjäoikeus antoi tänään päätöksensä minua ja kollegani ja ystävääni Till Sawalaa koskevassa oikeusjutussa. Meitä syytettiin törkeästä kunnianloukkauksesta ja törkeästä yksityiselämää loukkaavasta tiedon levittämisestä.

Kyse on tapahtumista tammi-helmikuussa 2018, jolloin astrofyysikko Christian Ott palkattiin Turun yliopistoon. Minä ja Sawala, muiden muassa, toimme esille Ottin häirintätaustaa hänen edellisessä työpaikassaan Caltechin yliopistossa, vastustimme häirintää ja arvostelimme päätöstä. Turun yliopisto perui palkkauksen. Ott haastoi oikeuteen asiassa mukana olleen Tukholman yliopiston sekä Turun yliopiston. Lisäksi hän teki tutkintapyynnön minusta ja Sawalasta, mikä johti prosessiin, joka kesti yli kolme vuotta, kaksi esitutkintakierrosta ja viisi oikeusistuntoa.

Nyt oikeus hylkäsi syytteet.

Turun Sanomat, Iltalehti, Ilta-Sanomat ja Helsingin Sanomat on kirjoittanut päätöksestä. Turun Sanomat kirjoitti myös oikeudenkäynnin kulusta asiallisesti, samoin Iltalehti. Helsingin Sanomatkin käsitteli asiaa, muun muassa otsikolla ”Häirintäsyytöksiä levitellyt kosmologi Syksy Räsänen pääsi ääneen oikeudessa”.

Tiedelehdessä Science Jeffrey Mervis kirjoitti viime viikolla oikeudenkäynnistä laajemmasta näkökulmasta, ottaen esille sen mitä se merkitsee häirintätapauksista puhumiselle. Tammikuussa 2016 Mervis oli ensimmäinen toimittaja, joka kirjoitti Ottin häirintätapauksesta Caltechissa.

Tänään julkaistussa tiedotteessamme minä ja Till Sawala käymme hieman läpi tapausta. Lisää yksityiskohtia löytyy kolmesta aiemmasta blogimerkinnästäni. Kommentoin tiedotteessa seuraavasti:

”On tervetullutta, että olemme viimein, yli kolme vuotta kestäneen prosessin jälkeen, saaneet vapauttavan tuomion. Toivottavasti tämä toimii ennakkotapauksena.

Kenenkään ei pitäisi pelätä sakkoja tai vankeustuomiota vain siksi, että he puhuvat häirintää vastaan, perustuen laajalti ja luotettavasti raportoituihin tosiseikkoihin. Pelkkä sen uhka voi tukahduttaa keskustelua, ja haitata häirinnän vastaista työtä.

Meillä oli taloudelliset resurssit, ja tiedeyhteisömme henkinen tuki, joilla vastata perättömiin syytteisiin meitä vastaan. Jos joku heikommassa asemassa oleva, kuten jatko-opiskelija, joutuisi tähän tilanteeseen, heille ei ehkä kävisi yhtä hyvin.”

Kunnianloukkausoikeudenkäyntien ongelmat eivät rajoitu tiedeyhteisöön. Tutkitusti Suomessa ei ole selvää linjaa sille, miten kunnianloukkaustapausten esitutkintaa suoritetaan ja millaisiin päätöksiin päädytään. Rikosilmoituksia kunnianloukkauksista myös käytetään häiriköinnin välineenä. Hyvin tunnetussa toimittaja Johanna Vehkoon tapauksessa käsittely kesti viisi vuotta ja päätyi korkeimpaan oikeuteen.

Meidän tapauksessamme ei ole syytä epäillä, etteikö Ott olisi kokenut, että hänelle on tehty vääryyttä. Mutta ottaen huomioon, että esille tuomamme tiedot oli laajalti raportoitu luotettavissa lähteissä, prosessin olisi silti pitänyt pysähtyä aiemmin. Kun tapauksen ensimmäinen syyttäjä päätti jättää syytteet nostamatta, apulaisvaltakunnansyyttäjä kumosi päätöksen koska ”syyttäjä oli viitannut yksinomaan kansainvälisiin medialähteisiin arvioimatta niiden luotettavuutta tarkemmin”.

On kohtuutonta, että maailman arvostetuimpien tiedejulkaisujen Naturen ja Sciencen raportoimia faktoja, joita mikään taho ei ole julkisesti kiistänyt, ei saisi mainita eikä ottaa keskustelun pohjaksi. Jos rima nostetaan näin korkealle, julkinen keskustelu häirinnästä ja muista kiistanalaisista asioista muuttuu mahdottomaksi.

Tältä kannalta on tärkeää, että oikeus päätöksessään toteaa, että vaikka ”häirintään ja syrjintään liittyvää tietoa on vastaajien toimesta ainakin jossain määrin järjestelmällisesti tuotu suuren ihmismäärän tietoon”, tämä ei ole ”kiellettyä saati rikosoikeudellisesti rangaistavaa”, vaan sitä voidaan päinvastoin ”pitää sellaisena yleisen edun mukaisena asiana, josta tulee voida avoimesti keskustella”. Oikeus toteaa lisäksi, että ”Ottista uutisoineiden medioiden luotettavuus huomioon ottaen varsin lähdekriittinenkin lukija on […] voinut luottaa kyseisen uutisoinnin oikeellisuuteen”.

Oikeus myös toteaa, että ”asialla on oletettavasti ollut merkitystä koko pienelle tiedeyhteisölle ja se on ollut yhteiskunnallisesti ja myös maailmanlaajuisesti merkityksellinen ja laajaa keskustelua herättänyt asia, mikä korostaa sananvapauden suojaa”.

Tapauksen oikeuskäsittely toi esille ongelmia häirinnän käsittelyssä myös tiedeyhteisön sisällä.

Turun yliopiston entisen rehtorin todistajanlausunto oikeudessa alleviivasi sitä, että yliopiston johto ei ollut huolissaan niinkään Ottin toiminnasta kuin mainehaitasta. Kuten olen aiemmin kirjoittanut, tällainen keskittyminen maineeseen on ongelmallista, koska siinä ohitetaan sen, mitä on todellisuudessa tapahtunut. Tämä voi johtaa siihen, että niin kauan kuin tosiseikat eivät tule julki, niistä ei piitata. Asiassa on myös toinen puoli: jos henkilöön kohdistuvat väitteet olisivat perättömiä, hänen työsopimuksensa purkaminen tai muut vastaavat toimet eivät olisi oikeutettuja.

Mainehaittaan keskittyminen saattaa myös motivoida peittelemään tapahtumia. Oikeudenkäynnissä tuli ainetodisteiden ja todistajanlausuntojen kautta esille se, miten osa henkilökunnasta Tuorlan observatoriossa, minne Ottia oltiin palkkaamassa, ei uskaltanut puhua asiasta. Yksi henkilökunnan jäsen kirjoitti tapahtumien aikaan kokevansa, että heitä on kielletty puhumasta medialle ja kuvaili ilmapiiriä sanomalla että ”olo on sellainen, että pitää olla valmis pakenemaan ikkunan kautta minä hetkenä hyvänsä”.

Turun yliopiston tähtitieteen emeritusprofessori Esko Valtaoja sanoi todistajanlausunnossaan oikeudessa, että hänen mielestään prosessi oli johdon kannalta täydellisesti epäonnistunut värväyspäätöksestä siihen, miten se kerrottiin henkilökunnalle, ja miten sen jälkeen toimittiin. Hän kommentoi, että menettelytapa, jossa ei oteta huomioon laitoksen henkilökuntaa ja ”vääristellään” yliopiston johdolle, miten suurin osa heistä muka odottaa innolla yhteistyötä Ottin kanssa ei ole hyväksyttävä.

Tuorlan observatorion johtaja Juri Poutanen oli yksi kahdesta henkilöstä, jotka ehdottivat Ottin palkkausta Turun yliopiston johdolle. Hän sanoi oikeudenkäynnissä, että vain yksi henkilökunnan jäsen oli henkilökuntatapaamisessa arvostellut palkkausta hänelle. Tämän jälkeen Ott oli tehnyt poliisille tutkintapyynnön kyseisestä henkilöstä, koska epäili hänen puhuneen Turun Sanomille kyseisestä tilaisuudesta ja Ottin palkkaamisesta. Poliisi kuulusteli henkilöä esitutkinnassa, mutta ei vienyt asiaa pidemmälle.

Poutanen oli palkkauksen aikoihin kirjoittanut, että hänen mielestään ei ole todisteita, että Ott olisi syyllistynyt häirintään. Hän oli syyttäjän todistajana oikeudessa. Oikeudenkäynnissä Poutaselle esitettiin Caltechin tutkimuksen tulokset, joiden mukaan Ott oli yksikäsitteisesti syyllistynyt sukupuoleen perustuvaan häirintään, ja kysyttiin pitävätkö ne hänen mielestään paikkansa. Poutanen totesi että ”minulle on aivan sama oikeastaan mitä siellä Caltechissa tapahtui”.

Astrofysiikassa on viime vuosina tullut esille korkean profiilin häirintätapauksia, joihin liittyy sukupuoleen perustuva tai seksuaalinen häirintä, viimeksi lokakuussa Leidenin yliopistossa Alankomaissa. On tyypillistä, että häirintään ei aluksi suhtauduttu vakavasti. Lausunnossaan Leidenin yliopiston johtokunta poikkeuksellisen avoimesti myönsi, että vaikka käytös oli huomattu, siihen ei puututtu tarpeeksi.

Häirintä on ongelma kaikilla aloilla ja kaikissa yhteisöissä. Se korostuu yhteisöissä, jotka ovat hyvin hierarkisia, joiden jäsenet kokevat yhteenkuuluvuutta ensisijaisesti niiden kanssa joilla on sama status, ja joissa korkeammassa asemassa olevat käyttävät merkittävää valtaa muihin. Tämä pitää paikkansa tiedeyhteisössä. Se että fysiikassa miesten osuus on isompi korkeammissa asemissa tekee alasta alttiimman sukupuoleen perustavalle ja seksuaaliselle häirinnälle, koska se on sukupuolittunutta.

Väitöskirjaohjaaja on ratkaisevassa asemassa jatko-opiskelijan tieteellisen uran kannalta. Ohjaajan ja ohjattavan suhde muistuttaa mestarin ja oppipojan suhdetta, ja on yleensä paljolti kahdenvälinen (tosin usein osana laajempaa tutkimusryhmää). Jatko-opiskelijat ovat haavoittuvassa asemassa myös siksi, että he ovat vasta aloittamassa tiedeyhteisöön nivoutumista.

Oikeusprosessin jälkeen tämä tapaus on minun ja Tillin osalta ohi. (En tosin tiedä, aikovatko syyttäjä tai Ott valittaa hovioikeuteen.) Samaa ei voi sanoa kaikista niistä, jotka ovat olleet tai ovat yhä häirinnän kohteena, tai joiden työpaikalla häirintään ja työntekijöiden hyvinvointiin suhtaudutaan välinpitämättömästi.

Päivitys (21/12/22): Syyttäjä eikä Christian Ott ei valittanut oikeuden päätöksestä, joten se on nyt lainvoimainen.

* * *

Today, the District Court of Southwest Finland delivered its judgment in the court case concerning me and my colleague and friend Till Sawala. We were accused of “aggravated defamation” and “aggravated dissemination of information that violates privacy”.

The case concerns events in January and February 2018, when astrophysicist Christian Ott was hired at the University of Turku. Me and Sawala, among others, spoke out about Ott’s harassment background and criticised the decision. The University of Turku cancelled the hire. Ott sued the University of Stockholm, which was involved in the hire, and the University of Turku. He also asked the police to investigate me and Sawala, leading to a process that took over three years, two rounds of preliminary investigation and five sessions in court.

Now the court dismissed the charges against us.

The newspapers Turun Sanomat, Iltalehti, Ilta-Sanomat and Helsingin Sanomat have written about the decision. The newspaper Turun Sanomat also wrote reasonable accounts of the trial (in Finnish), as did Iltalehti. Helsingin Sanomat also wrote about it, for example under the title “Cosmologist Syksy Räsänen who peddled harassment accusations got to speak in court”. In Science, journalist Jeffrey Mervis last week covered the case from a broader perspective, raising the issue of what it means for speaking out against harassment. In January 2016, Mervis broke the story of Ott’s harassment at Caltech.

In our press release today me and Till Sawala go over the case. More details can be found in my three previous blog entries. In the press release I comment as follows:

 “I welcome the acquittal after over three years of process. I hope this case will set a precedent.

No one should not have to fear fines or prison for simply speaking out against harassment based on widely and reliably reported facts. The threat alone can have a chilling effect that can set back work against harassment.

We had the financial resources, and support from our scientific community, to contest the baseless charges against us. If someone in a less secure position, such as a PhD student, were to be put in this situation, they might not fare so well.”

The problems of defamation trials are not limited to the scientific community. According to research, in Finland there is no clear policy on how preliminary investigations are conducted in defamation cases and what decisions are made. Criminal complaints about defamation are also used as a tool of harassment. In the well-known case of the journalist Johanna Vehkoo the proceedings took five years and went all the way to the Supreme Court.

In our case there is little reason to doubt that Ott felt himself to be wronged. But still, taking into account that the information we publicised had been widely reported in reliable sources, the process should have stopped earlier. After the first prosecutor declined to press charges, the deputy state prosecutor overturned the decision on the grounds that “the prosecutor had only referred to international media sources without evaluating their reliability in more detail”.

It is unreasonable that facts reported by the world’s premier science publications, which have not been publicly disputed by anyone, cannot be mentioned or taken as the basis of discussion. If the bar is set so high, public discussion of harassment and other controversial matters becomes impossible.

From this point of view it is important that the court notes in its decision that although “the defendants have at least to some measure systematically made known information about harassment and discrimination to large numbers of people”, this is not “forbidden nor punishable under criminal law”, but to the contrary it “can be considered a matter of public interest that people have to be able to discuss in public”.

The court also notes that “the matter has presumably been significant to the whole small scientific community and it has been socially and also a globally important and a widely discussed matter, which enhances the protection of the freedom of speech.” The court further observes that “taking into account the reliability of the media that have reported on Ott even a highly critical reader can […] have relied on the correctness of the reporting”.

The trial also exposed problems in how the scientific community deals with harassment.

The testimony of the former rector of the University of Turku highlighted that the university leadership was more concerned about damage to its reputation than what Ott had done. As I have earlier noted, such focus on reputation is problematic, because it treats what has actually happened as irrelevant. This can lead to ignoring the facts of the case as long as they do not become public. There is also another side to the matter: if allegations about a person were unfounded, terminating their contract or similar actions would be unjust.

Concentrating on damage to reputation can also motivate covering up events. Material evidence and testimony at the trial showed how some staff members at Tuorla Observatory, where Ott was to work, were too afraid to talk about the issue. One staff member wrote during the events that they felt they had been forbidden to speak to the media and described the atmosphere such that “you feel like you have to be ready to escape through the window at any moment”.

University of Turku astronomy professor emeritus Esko Valtaoja said in his testimony in court that in his view the process was a total failure on part of the leadership, from the hiring decision to how it was related to the staff, and what was done after that. He commented that not taking into account department staff and giving a distorted picture to the university leadership that most of them supposedly eagerly await working with Ott is not an acceptable way to handle matters.

Tuorla Observatory Director Juri Poutanen was one of the two people who proposed Ott’s hire to the university leadership. At the trial, he said that at a staff meeting only one member of staff had criticised Ott’s hire to him. After this Ott had made a criminal complaint about the staff member in question, suspecting him of having talked to the media about the meeting and Ott’s hire. The police questioned the person during preliminary investigation, but did not take the matter further.

During the hire Poutanen had written that in his view there is no evidence that Ott harassed anyone. At the trial Poutanen was presented with the findings of the Caltech investigation, according to which there was “unambiguous gender-based harassment of both graduate students” by Ott and asked whether he thinks they are correct. Poutanen replied that in his view ”it really makes no difference what happened at Caltech”.

Over the last few years, high-profile harassment cases that include sexual or gender-based harassment have come to light in astrophysics, the latest in October at Leiden University in the Netherlands. It is typical that harassment was not taken seriously at first. In its statement, Leiden University executive board admitted with rare candour that although the behaviour was noticed, not enough was done about it.

Harassment is a problem in all fields and communities. This is particularly so in communities that are very hierarchical, whose members feel a sense of camaraderie primarily with others of the same status, and where those in higher positions have significant power over others. This is the case in the scientific community. The fact that in physics there are more men in higher positions makes the field more prone to sexual and gender-based harassment, which is gendered.

The PhD supervisor plays a key role in a PhD student’s scientific career. The relationship between a supervisor and PhD student is reminiscent of the relationship between master and disciple, and is usually mostly a relationship between two people (although commonly in the context of a larger research group). PhD students are vulnerable also because they are just beginning to integrate into the scientific community.

After the legal process is over, this case will be over for me and Till. (Although I don’t know whether the prosecutor or Ott are going to appeal.) The same cannot be said for all those who have been or continue to be harassed, or in whose workplace harassment and employee wellbeing are given short shrift.

Update (21/12/22): Neither the prosecutor nor Christian Ott appealed, so the court’s decision is now final.