Taivaan merkit
Mainitsin viime kuussa, että kosmisen mikroaaltotaustan perusteella tiedämme, että pimeä aine (jos sitä on olemassa) on tähtiä vanhempaa. Merkinnän kommenteissa pyydettiin avaamaan sitä, miten kosmisesta mikroaaltotaustasta voi päätellä tällaisia asioita. Tämä onkin hauska aihe.
Varhaisina aikoina maailmankaikkeuden aine oli hiukkaskeittoa. Kun avaruus laajenee, keiton lämpötila laskee. Kun maailmankaikkeus saavutti 380 000 vuoden iän, lämpötila laski alle 3 000 kelvinin. Tällöin keiton valohiukkasten energia ei enää riittänyt atomiytimien ja elektronien välisen sidoksen rikkomiseen, joten ne yhtyivät atomeiksi.
Tätä ennen valo, elektronit ja ytimet olivat tiukasti kytköksissä, kun valo poukkoili elektronien sähkövarauksista, ja maailmankaikkeus oli läpinäkymätön. Atomit ovat sähköisesti neutraaleja, joten niiden muodostuttua valo ei juuri vuorovaikuta aineen kanssa, ja on siitä lähtien matkannut jokseenkin esteettä halki maailmankaikkeuden.
Tämä valo tunnetaan nimellä kosminen mikroaaltotausta. Se on kirjaimellisesti valokuva maailmankaikkeudesta 380 000 vuoden iässä, ja näyttää tältä:
Kuvassa näkyy taivas mikroaaltoaallonpituudella, kun on poistettu Linnunradasta ja joistakin muista lähellä olevista lähteistä tuleva säteily. Punakeltaiset alueet ovat kirkkaampia ja siniset himmeämpiä; erot ovat muutaman sadastuhannesosan kokoisia. Näistä taivaan merkeistä voi lukea, millainen maailmankaikkeus oli nuorena.
Suoraviivaisin päätelmä on se, että valon ja tavallisen aineen tiheys oli 380 000 vuoden aikaan sama kaikkialla sadastuhannesosan tarkkuudella. Tarkempaa tietoa saa tutkimalla sitä, miten täplien kirkkaus riippuu niiden koosta. Vältän blogissa kuvaajien käyttämistä, mutta tätä en malta olla laittamatta:
Kuvassa on x-akselilla täplän koko taivaalla, ja y-akselilla se, paljonko kirkkaus poikkeaa keskiarvosta. Isoimmat täplät ovat 90 asteen kokoisia; Planck pystyy erottamaan pienimmillään vajaan asteen kymmenesosan kokoisia täpliä.
Kirkkaimpia ovat noin asteen kokoiset täplät. Tästä voi päätellä sen, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee. Sitä varten pitää tietää, miten täplät syntyvät.
Kun keskivertoa tiheämmät alueet varhaisina aikoina gravitaation takia tiivistyivät, valon paine työnsi niitä takaisin, mikä johti vuoroittaiseen tiivistymiseen ja harventumiseen. Edestakainen liike synnytti aaltoja, kuin järven pintaa vatkaava käsi. Aallot matkasivat nopeudella joka on noin puolet valonnopeudesta. Vanhimmat aallot olivat 380 000 vuoden aikaan ehtineet matkata 400 000 valovuotta, nuoremmat vähemmän. (Kuljettu matka on isompi kuin maailmankaikkeuden ikä kertaa nopeus, koska avaruus laajenee.)
Kappaleen kulmakoko taivaalla on sen pituus jaettuna sen etäisyydellä: mitä pienemmältä kappale näyttää, sitä kauempana se on. Kun siis tiedämme aaltojen pituuden ja kulmakoon, voimme päätellä kuinka kaukaa kosminen mikroaaltotausta on nykypäivään asti matkannut. Jos valon ja aineen eron hetkeä siirtäisi kauemmas tai lähemmäs, niin kaikkien täplien koko taivaalla muuttuisi tasaisesti. Tästä voi mitata etäisyyden tarkasti.
Koska tämä etäisyys riippuu siitä, miten maailmankaikkeus on laajentunut, kosmisesta mikroaaltotaustasta voi päätellä maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden. Kosmologian tämän hetken merkittävin ristiriita ennusteiden ja havaintojen välillä onkin se, että tällä tavalla saa eri tuloksen kuin mittaamalla laajenemisnopeuden suoraan siitä, miten nopeasti lähellä olevat galaksit meistä etääntyvät.
Entäpä se pimeä aine? Aaltojen pituus taivaalla kertoo vain etäisyyden, mutta niiden korkeudesta voi lukea monta seikkaa. Mitä vahvemmin tiheiden alueiden gravitaatio varhaisina aikoina vetää ainetta puoleensa, eli mitä enemmän massaa niissä on, sitä voimakkaampia aallot ovat. Toisaalta näkyvä aine (eli elektronit ja atomiytimet) törmäilee koko ajan valoon, mikä hidastaa sen liikkeitä kitkan tavoin, ja vaimentaa aaltoja. Pimeällä aineella ei ole tällaista ongelmaa.
Mitä enemmän on pimeää ainetta, sitä korkeampi on pisimmän aallon aallonhuippu, ja mitä enemmän on näkyvää ainetta, sitä matalampi se on. Yhdestä huipusta ei siis voi päätellä erikseen pimeän aineen ja tavallisen aineen määrää, koska niitä molempia sopivasti kasvattamalla korkeus pysyy samana.
Mutta pimeä aine ja näkyvä aine vaikuttavat eri tavalla kuvassa näkyviin eri huippuihin. Kuvassa ei ole erotettu aallonharjoja ja -pohjia: siinä näkyy vain paljonko kirkkaus poikkeaa keskiarvosta, ei onko alue keskivertoa kirkkaampi vai himmeämpi. Joka toinen huippu vastaa itse asiassa aallonharjaa ja joka toinen aallonpohjaa.
Näkyvän aineen kitka syventää aallonpohjia ja laskee aallonhuippuja, kun taas pimeän aineen gravitaatio vahvistaa molempia. Niinpä ottamalla huomioon sekä ensimmäisen että toisen huipun korkeuden voi päätellä sekä pimeän aineen että näkyvän aineen tiheyden. Huippujen korkeuksien suhteesta voi lukea, että pimeää ainetta on noin viisi kertaa niin paljon kuin näkyvää ainetta.
Pimeä aine esitettiin alun perin selittämään sitä, miksi näkyvä aine galakseissa ja galaksiryppäissä liikkuu nopeammin kuin mitä sen oma gravitaatio pystyy selittämään. Tarvittiin ainetta, jota ei voi nähdä, eli joka ei juuri vuorovaikuta valon kanssa. Vapaus valosta osoittautui sittemmin avaimeksi myös kosmisen mikroaaltotaustan täplien ymmärtämiseen. Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten oikeansuuntaiset ideat ratkaisevat myös uusia ongelmia ilman erillistä säätämistä – eli tekevät onnistuneita ennustuksia.
Ainoa vaihtoehto pimeälle aineelle on se, että gravitaatio käyttäytyisi eri tavalla kuin mitä yleinen suhteellisuusteoria ennustaa. On kuitenkin vaikea selittää, miksi kosmisen mikroaaltotaustan muodostumisen aikaan gravitaatio olisi kuusi kertaa odotettua vahvempi, mutta Aurinkokunnassa ei ole nähty poikkeamia yleisen suhteellisuusteorian ennusteista, vaikka niitä on mitattu sadastuhannesosan tarkkuudella. Yksikään ehdokas uudeksi gravitaatioteoriaksi ei ole pystynyt edes jälkikäteen selittämään kosmisen mikroaaltotaustan kaikkien huippujen korkeuksia, saati ennustamaan niitä.
Kosmisen mikroaaltotaustan analyysi on oikeasti monimutkaisempaa kuin vain huippujen korkeuksien ja aineen tiheyksien vertaaminen. Mikroaaltotaivaan merkeistä voi lukea fotonien ja neutriinojen tiheyden, testata kosmisen inflaation ennustetta siitä, millainen aaltojen lähteinä toimivien ylitiheiden alueiden jakauma on, ja paljon muuta.
Kosminen mikroaaltotausta on ehkä antoisin yksittäinen kosmologinen havainto: se sisältää paljon tietoa, sitä voidaan mitata tarkasti, ja sen teoreettinen tarkastelu on suoraviivaista. On paljon helpompi mallintaa pieniä aaltoja kaasussa kuin vaikkapa törmääviä mustia aukkoja.
Seuraavaksi halutaan mitata tarkemmin kosmisen mikroaaltotaustan fotonien polarisaatiota, eli sitä, mihin suuntiin ne värähtelevät. Tuloksia on odotettavissa kymmenen vuoden kuluessa japanilaiselta satelliitilta LiteBIRD sekä kansainvälisiltä maanpäällisiltä teleskooppihankkeilta Simons-observatorio ja CMB-S4.
27 kommenttia “Taivaan merkit”
Vastaa
Lomittuneilla fotoneilla
Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti tänään, että vuoden 2022 Nobelin fysiikan palkinnon saavat Alain Aspect, John F. Clauser ja Anton Zeilinger ”lomittuneilla fotoneilla tehdyistä kokeista, jotka osoittivat Bellin epäyhtälön rikkoutumisen ja olivat kvantti-informaatiotieteen edelläkävijöitä”. Kuten tavallista, tiedeakatemia julkaisi erikseen suurelle yleisölle ja fyysikoille suunnatut taustoitukset.
Fyysikot tykkäävät arvella Nobelin palkintoja omalle alalleen, mutta olen vuosia kuullut niidenkin, jotka eivät työskentele kvanttimekaniikan perusteiden ja kvantti-informaation parissa kyselevän koska siitä myönnetään Nobelin palkinto Alain Aspectille ja muille avaintutkijoille.
Nyt palkitun tutkimuksen ytimessä on se, miten kvanttimekaniikka eroaa klassisesta mekaniikasta, ja samalla arkiajattelusta. Kvanttimekaniikan mukaan todellisuus ei ole määrätty: asioilla on todennäköisyydet olla eri tavoin, sen sijaan että ne olisivat yhdellä tavalla.
Erwin Schrödinger, yksi kvanttimekaniikan löytäjistä, päätti havainnollistaa kvanttimekaniikan tätä piirrettä ajatuskokeella missä on kissa, mikä on varmistanut sen, että idea on levinnyt laajalle. Schrödingerin kissa on sekoituksessa kuollutta ja elävää, olematta kumpaakaan. Schrödinger esitti ajatuskokeen vuonna 1935 osoittaakseen, että koska johtopäätös kissan tilasta on outo, kvanttimekaniikan pitää olla puutteellinen. Nykyään asia nähdään toisin päin: koska kvanttimekaniikka pitää niin suurella tarkkuudella paikkansa, todellisuus on outo.
Kaksoisrakokokeessa on kokeellisesti mitattu jäljet siitä, että hiukkasta kvanttimekaniikassa kuvaava todennäköisyysaalto samaan aikaan kulkee eri reittejä, sen sijaan että hiukkasella olisi määrätty rata. On kuitenkin esitetty niin kutsuttuja piilomuuttujateorioita, joiden mukaan hiukkasten tila on itse asiassa koko ajan määrätty, me vain emme tiedä mikä se on, ja ne pystyvät selittämään kaksoisrakokokeen tuloksen siinä missä kvanttimekaniikka.
John Bellin vuonna 1964 esittämällä epäyhtälöllä on ollut keskeinen rooli siinä, että kvanttimekaniikan outous on hyväksytty ja piilomuuttujateorioiden suosio on jäänyt vähäiseksi. Tämä epäyhtälö on Aspectin, Clauserin ja Zeilingerin työn pohjalla. Olen kirjoittanut Bellin epäyhtälöstä tarkemmin täällä, ja sitä valaistaan myös tiedeakatemian taustamateriaalissa. Askel askeleelta seurattavan selkeän selityksen voi lukea Tanya Bubin ja Jeffrey Bubin sarjakuvasta Totally Random.
Jos luodaan kaksi fotonia, joiden polarisaatio (eli värähtelysuunta) on vastakkainen, niin mittaamalla yhden polarisaation tietää heti toisenkin polarisaation. Tätä ominaisuutta sanotaan lomittumiseksi. (Englanniksi entanglement, kirjaimellisesti yhteenkietoutuminen.) Kvanttimekaniikan mukaan fotonin tila ei ole määrätty ennen kuin sitä mitataan. Piilomuuttujateorioissa fotonien tilat ovat koko ajan määrätyt, emme vain ennen mittaamista tiedä mitkä ne ovat.
Bell hahmotti, että nämä kaksi mahdollisuutta voi erottaa kokeellisesti mittaamalla eri fotonien polarisaatiota eri suunnissa ja tutkimalla tulosten tilastollista riippuvuutta. Missä tahansa teoriassa, jossa fotonien tila on aina määrätty, tämä riippuvuus toteuttaa Bellin epäyhtälön. Kvanttimekaniikassa epäyhtälö rikkoutuu, koska lomittuneen systeemin osat ovat kytköksissä toisiinsa rajattoman pitkien etäisyyksien yli vahvemmin kuin teoriassa, missä systeemin tila on koko ajan määrätty (eikä voida viestiä yli valonnopeudella).
Bellin epäyhtälö on kvanttimekaniikan sääntöjen suoraviivainen seuraus. Noiden yksinkertaisten sääntöjen vieraudesta arkiajattelulle kertoo paljon se, että kesti vuosikymmeniä niiden löytämisestä 1920-luvulla siihen, että Bell esitti nyt nimeään kantavan epäyhtälön.
Teknologista kekseliäisyyttä taasen kuvaa se, että jo vuonna 1972, kahdeksan vuoden kuluttua, Clauser kollegoineen osoitti kokeellisesti, että Bellin epäyhtälö rikkoutuu kvanttimekaniikan ennustamalla tavalla. Tiedeakatemia mainitsee, että yksi ongelma Clauserin tiellä oli se, että hän oli kokeellinen astrofyysikko, joka oli palkattu tekemään radiotähtitiedettä. Clauser sai kuitenkin sovittua, että saa käyttää puolet ajastaan Bellin epäyhtälön testaamiseen. Tämä muistuttaa joustavuuden merkityksestä tutkimusaiheiden muuttamisessa nykyaikoina, missä tutkijoiden oletetaan tietävän tutkimuksensa kulun viisi vuotta etukäteen.
Tiedeakatemia kirjoittaa suurelle yleisölle suunnatussa taustoituksessa, että Clauserin tulosten mukaan ”kvanttimekaniikkaa ei voi korvata millään piilomuuttujateorialla”. Tämä ei ole ihan totta. Tutkijoille suunnattu teksti on huolellisempi, ja siinä selitetään, että tällaisessa piilomuuttujateoriassa tiedon täytyisi kulkea valoa nopeammin (mikä on ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa). Itse asiassa vasta Aspectin ja kollegoiden kehittyneemmät kokeet osoittivat, että tiedon pitäisi kulkea valoa nopeammin, jotta piilomuuttujateoria voisi selittää tulokset.
Bellin epäyhtälöön liittyvä tutkimus on avannut oven kvanttimekaniikan perusteiden hedelmälliselle soveltamiselle teknologiaan. Tiedeakatemia korostaakin perusteluissaan kvanttitietokoneiden ja kvanttikryptografian kasvavaa merkitystä. Näillä aloilla lomittumiseen liittyvien kvanttimekaniikan piirteiden ymmärtäminen ja käyttäminen teknologisesti –missä erityisesti Zeilinger on kunnostautunut– on avainroolissa. Jos Bell ei olisi kuollut vuonna 1990, hänetkin olisi luultavasti palkittu Nobelilla.
Nobelin palkinnot keskittävät paitsi suuren yleisön myös tiedeyhteisön huomiota ja houkuttelevat tutkijoita palkitulle alalle. Gravitaatioaaltojen suora havaitseminen vuonna 2015 ja palkitseminen Nobelilla 2017 ovat tehneet niistä muodikkaan tutkimuskohteen, jota mietitään monissa muissakin yhteyksissä kuin siinä, mikä johti palkintoon. Ehkäpä tämän vuoden palkinto lisää suosiota Bellin epäyhtälön rikkoutumisen ja muiden kvantti-ilmiöiden tutkimiseen myös kosmologiassa.
Kosmisesta inflaatiosta, mikä on ensimmäisenä yhdistänyt kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian tavalla joka on ennustanut kokeiden tuloksia yksityiskohtaisesti oikein, ei olekaan vielä myönnetty Nobelin palkintoa, vaikka jotkut kosmologit ovat sellaista povanneet.
35 kommenttia “Lomittuneilla fotoneilla”
-
Suurin molekyyli, jolla kaksoisrakokoe on tehty, sisälsi n. 2000 atomia ja sen molekyylipaino oli n. 25000. Ja tämäkö sitten menee kahden eri raon kautta ja kasautuu uudelleen yhdeksi rakojen jälkeen. Ottaen huomioon, kuinka vaikeaa uusien molekyylien valmistamien saattaa olla, niin ei kuulosta kovin loogiselta! Älkää viitsikö älyttää vanhaa kemstiä!
-
Tässä puhutaan arktodellisuudesta ja kvanttifysiikasta. Missä on se raja, jonka jälkeen arkielämän havainnot alkavat pitää paikkansa ? Eli että esim. auto on todella tuossa ja että kysymys ei ole todennäköisyysjakaumasta ?
-
Erkki Kolehmainen on mielestäni puolittain oikeassa.
Voi olla, että kvanttifysikaalisesti kuvatun kissan ja naapurin katin välillä on jokin toistaiseksi ylittämätön käsitteellinen kuilu, mutta en ymmärrä, mitä tekemistä tällä on todellisuuden tai harhan kanssa. Eiköhän kysymys ole havaitsemisen tasoista ja kuvausten tarkoituksenmukaisuudesta. On itse asiassa melko absurdi ajatus, että arkielämämme olisi jotenkin perustavalla tavalla harhaista. Syksyn muuten ansiokkaissa esityksissä tämä ajatus on aina tuntunut minusta todella oudolta, enkä ole löytänyt sille kunnon perusteluja. Ainoa johtopäätös lienee, että kysymyksessä on äärimmilleen viety fysikalismi, siis filosofinen kannanotto, joka ei perustu fysiikkaan.
-
Juuri näin. Fyysikko ei tarvitse mitään ihmeaivoja. Kun Einstein kuoli, niin patologit ryntäsivät tutkimaan hänen aivojaan, mutta ei sieltä mitään ihmeellistä löytynyt – samaa harmaata ja valkoista massaa kuin muillakin. Ei edes niiden koko ollut tavallista suurempi. Syksyn asenne on tyypillistä ihmiselle, joka haluaa nähdä työnsä erityisen arvokkaana ja merkittävänä. Toki sellainen ajattelu on luvallista (ja tavallista) ellei se johda muiden vähättelyyn!
-
-
On hyvä että kvantti-ilmiöt saavat julkisuutta, koska niissä on vielä paljon oppimista ja sulateltavaa. Vaikka kvanttimekaniikan tiedetään olevan totta, maailmankuvallisesti ollaan vähän juututtu jonnekin 1800-luvun alun kellokoneistouniversumiin. Vaikka asian varsinainen ymmärtäminen onkin vaikeaa, se on jo hyvä askel eteenpäin että tulee ihmetelleeksi miten maailmankaikkeuden aaltofunktiosta syntyy havaintokokemus klassista fysiikkaa noudattavasta kehosta joka on osa ympäröivää kaikkeutta. Ehkä kvanttifysiikka itsessään on selvä juttu, mutta maailma ei!
-
Jos oletetaan,että aika ja avaruus ovat jotenkin seurausta energiasta ja vuorovaikutuksesta, niin eipä tuo lomittuminen ole psykologisesti mikään mahdoton asia: jos hiukkaset ovat osa samaa kvanttimekaanista systeemiä, niin muutokset voivat tapahtua riippumatta ulkoisesta ajasta ja avaruudesta.
Mutta voisiko Dr. Räsänen valaista meitä uteliaita maallikoita siitä, että mitä yksöis- tai kaksoisrakokokeessa oikein tapahtuu? Kun siis hiukkasta kuvaava aalto tulee raolle, mikä aiheuttaa tilan muutoksen, niin kuka/ketkä sitä hiukkasta oikein havaitsee ja minne se tieto tallentuu? Ja kun hiukkanen jatkaa aaltomaisesti matkaansa ja lopulta osuu havaintolevylle, niin mikä sen paikallistumisen aiheuttaa ja vastaako se jotenkin sitä, että hiukkasen aalto sujahtaa äärimmäisen kapeaan ’yksöisrakoon’, mikä nostattaa suuren, välähdyksenä ilmenevän liikemäärän?
Lisäksi, tarkoittaako tuo kvanttimekaaninen aalto ylipäätään yhtään mitään, jos se ei vuorovaikuta ympäristönsä kanssa? Tuli meinaan Descartesin ”ajattelen, siis olen” lausahduksesta mieleen modernimpi versio: ”vuorovaikutan, siis olen” 🙂
-
Jos olemassaololla viitataan mitattavaan olemassaoloon eli havaintoon, niin havainto vaatii vuorovaikutuksen, joten siinä mielessä ”vuorovaikutan, siis olen” voisi olla tämän järkevältä kuulostava yleistys. Kuitenkin muistaen että vuorovaikutuskaan ei ole absoluuttinen käsite, esimerkiksi koska on tilanteita jossa samaa ilmiötä voidaan kuvata kahdella yhtäpitävällä (kvantti)teorialla, joista toinen on vahvasti ja toinen heikosti vuorovaikuttava.
Kvanttiteoria selittää havainnot, mutta ei havaitsijaa. Havaitsijaa on vaikea mallintaa, koska se vaikuttaisi olevan tolkuttoman monimutkainen kvanttitila. Tai ehkä se on koko maailmankaikkeus.
-
Vuorovaikutus on ontologisesti fysikaalisuuden keskiössä. Lomittumiskorrelaatiokin voidaan todentaa vasta kun tehdään vertailu vaihtamalla tietoa vuorovaikutussignaalein.
Mittaamisen fudamentaali haaste puolestaan on se, että mittalaite on osa mitattavaa vuorovaikutusjatkumoa.
-
-
Minusta on outoa, että kvanttifysiikan ilmiöiden todennäköisyysjakauma tiivistyy, kun tullaan arkielämän ilmiöihin. Äkkiä luulisi, että kun muuttujien määrä kasvaa, niin todennäköisyysjakauma leviää entisestä. Ihan kuin kvantti-ilmiöillä olisi ”pyrkimys determinismiin” isommassa skaalassa ja koko kvanttifysiikka olisi jotenkin skaalautuva. Sille ei varmaan ole mitään teoriaa tai perustetta?
Sitten kysyisin vielä, että on ihan selvä, että jos fotonipari syntyy ja toinen on sininen ja toinen on punainen, niin kun tiedämme toisen värin, niin tiedämme toisen, mutta voidaanko tuo spin siis muuttaa, eli voidaan maalata punainen pallo siniseksi, jolloin toisen fotonin spin muuttuu samalla hetkellä. Jotenkin arkijärkeen sopisi joku oskillointi, jossa spinit sykronoituvat syntyhetkellä ja muutoksessa emme oikeastaan muuta mitään, vain havaitsemme tietyn spinin, joka olisi vaihtunut ilman mitään väliintuloa, ja mitään informaatiota ei liiku.
Ymmärrän toki, että kvanttifysiikan puolesta puhuu moni muukin asia. Tämä ei ole mikään oma nojatuoliteoria, vaan kysymys.
-
Kvanttifysiikan ilmiöt ovat tilastollisia. Hiukkasten tila on epämääräinen ja makroskooppisesti havaitsemme keskiarvotilan. Kyse ei ole determinisyydestä. Pohjimmiltaan kaikki perustuu kvanttikenttiin ja hiukkaset ovat niiden satunnaisia eksitaatioita.
-
-
”,,,koska lomittuneen systeemin osat ovat kytköksissä toisiinsa rajattoman pitkien etäisyyksien yli vahvemmin kuin teoriassa, missä systeemin tila on koko ajan määrätty (eikä voida viestiä yli valonnopeudella).”
Jos ”lomittumisesta” todella seuraa mahdollisuus viestiä yli valonnopeudella, niin se ei voi pitää paikkaansa eikä sellaista voi olla olemassa. Syksyn ansioksi on sanottava, että hän kirjoittaa tekstiinsä argumentin, joka tekee tyhjäksi v. 2022 fysiikan Nobel-palkinnon perusteet ja hänen aiemmat pohdiskelunsa lomittumisesta!
-
Lomittumiseen ei liity kommunikaatiota yli valonnopeudella. Kuitenkin sitä käyttämällä joissakin peleissä voidaan pelata niin vahvasti, että kvanttimekaniikasta tietämätön tarkkailija luulee että pelaajat huijaavat kommunikoimalla keskenään. Eli ulkoisen tarkkailijan mielestä yliluonnollista kommunikaatiota tapahtuu, vaikka toimijoiden itsensä näkökulmasta ei. Näille ajatuskokeille on annettu nimi pseudotelepatia. Niiden viimeaikaisista käänteistä olisi mukava kuulla joskus lisää. Lähde: wikipedia:Quantum_pseudo-telepathy. Niitä pelejä oli tuolla sivulla aiemmin vain yksi, mutta nyt siellä on toinenkin (GHZ).
-
Katoaako fotonin polarisaatio fotonin joutuessa mustaan aukkoon, ts onko mustalla aukolla jonkinlainen fotonin aiheuttama ”polarisaatio-informaatio” tai onko musta aukko täysi polarisaatiosta vapaa?
Kysymys liittyy ajatusleikkiin, jossa kaksi fotonia on lomittunut ja toinen fotoni joutuu mustaan aukkoon.
Jos fotonin mustaan aukkoon joutumisen jälkeen mitataan mustan aukon ulkopuolella olevan fotonin polarisaatio, niin tiedetäänkö myös tässä tilanteessa mustaan aukion joutuneen polarisaatio (ja pitäisikö sen jotenkin ”näkyä” mustan aukon toiminnassa)?
Ja jos oletetaan mustan aukon ajan myötä haihtuvan Hawkingin säteilyn myötä, niin tuleeko polarisaatio-informaatio sen myötä ”ulos” mustasta aukosta?
-
Vääntäisitkö rautalangasta, jos informaatio ei (edelleenkään) siirry valoa nopeammin, ”mikä” jos mikään siirtyy kun toista hiukkasta tarkkaillaan ja sen pari myöskin ilmaisee positionsa (tarkkailusta johtuen)?
Onko lomittuminen pikemminkin jakaantuneen tai jakaantuneiden hiukkasten ominaisuus kuin ”informaationsiirto”?
Vastaa
Logiikasta ruuveihin
Yläasteella tai lukiossa opiskelevat kysyvät minulta joskus miten tullaan fyysikoksi. Tähän on helppo vastata: suorittamalla koulun fysiikan ja matematiikan kurssit (koodaamisesta on myös apua) huolella ja hakemalla yliopistoon opiskelemaan fysiikkaa. Yliopistossa saa selville, mistä fysiikassa oikeastaan on kyse ja onko se oma ala.
Jatkokysymys miten tullaan hyväksi fyysikoksi on sitten vaikeampi. Yliopisto-opintojen osalta ehkä tärkein asia mihin voi itse vaikuttaa on se, että on innostunut, omistaa opinnoille niille tarvittavan ajan, ja valitsee gradu- ja väitöskirjaohjaajansa huolella. Fysiikan teorioiden sisällön omaksumisen (mihin yliopiston kurssit lähinnä keskittyvät) lisäksi tutkijan työssä tarvitaan erilaisia taitoja, joista monet oppii vain tekemällä kuten käsityössä.
Hiukkasfysiikassa ja kosmologiassa (saati fysiikassa laajemmin) on erilaisia aloja, joissa tarvitaan eri taitoja ja ajattelutapoja.
On matemaattisen fysiikan nimellä kulkevaa tutkimusta, joka on matemaattisesti huolellista ja kehittynyttä, mutta usein kaukana havainnoista. Yhdestä suunnasta se sulautuu matematiikkaan. Jotkut matemaattiset fyysikot ovatkin matematiikan laitoksilla töissä, ja yhteisössä lähempänä matemaatikkoja kuin muita fyysikoita.
Toisessa suunnassa matemaattinen fysiikka muuttuu vähemmän täsmälliseksi teoreettiseksi fysiikaksi, jonka pääpaino on teorioiden ja mallien kehittämisessä määrättyjen ilmiöiden kuvaamiseen. Lähemmäs havaintoja mentäessä teoreettinen fysiikka puolestaan lomittuu fenomenologiaksi kutsuttuun fysiikan haaraan. Fenomenologiassa keskitytään siihen, millaisia havaintoja mallit tarkalleen ennustavat ja selittävät, ja verrataan niitä kokeiden tuloksiin. Siinä on tärkeämpää hallita teoreettisia menetelmiä sekä tuntea kokeita ja osata verrata niitä teoriaan kuin ymmärtää hienostuneen matematiikan yksityiskohtia.
Fenomenologia on silta teoriasta kokeelliseen fysiikkaan. Kokeellisessa fysiikassa pitää tuntea teorioiden lisäksi laitteiden rakentamista, toimintaa ja käytäntöä. Jos matemaattisen fysiikan rajalla on matematiikka, missä pitää hahmottaa loogisia yhteyksiä vailla kosketusta todellisuuteen, niin kokeellisen fysiikan rajalla on insinööritaito, missä pitää tietää miten ruuvit pannaan paikalleen.
Sen lisäksi, että eri aloilla tarvitaan erilaisia taitoja, niiden sisällä voi tehdä tutkimusta eri tyyleillä. Osassa teoreettista fysiikkaa kehitetään parempia menetelmiä ja teorioita, vaikkapa esitetään uudenlaisia pimeän aineen hiukkasia tai tapoja kuvata kosmisen inflaation kvanttivärähtelyjä. On myös tutkimusta, joka on hyvin spekulatiivista eikä pohjaa vankasti sen enempää havaintoihin kuin teoriaankaan. Siinä heitellään kaikenlaisia ideoita, ja alkuun ne voivat olla puolivillaisia ja käsittely epätäsmällistä; tärkeintä on uusien yhteyksien ja näkökulmien kehittäminen.
Koska tutkimusta ja taitoja on niin erilaisia, on vaikea arvioida tutkijoita yksiulotteisella hyvä-huono-akselilla. Tutkijoiden välillä on kyllä merkittäviä tasoeroja, ja on syytä myös hyväksyä se, että osa eroista on luontaisia, kuten urheilussa ja musiikissa. Olipa syynä perintötekijät tai lapsuuden kehitys, minusta ei voisi tulla yhtä taitavaa fyysikkoa kuin vaikkapa säieteoreetikko Edward Wittenistä, vaikka olisin kuinka omistautunut.
Kaikessa fysiikan tutkimuksessa on hyödyksi peräänantamattomuus yhdistettynä kykyyn arvioida omia ideoita kriittisesti ja luopua niistä. Teoreettisessa kosmologiassa onkin vahva kyseenalaistamisen ja väärässä olemisen kulttuuri. Yksi tärkeä taito on se, että osaa muodostaa selkeän käsityksen siitä, mitä tietää ja miksi, mitä ei tiedä, ja pystyy esittämään kantansa selkeästi. Ja sanottakoon että oman työn markkinoiminen rahoitushakemuksissa on nykyään yhä tärkeämpi taito.
Uutta tutkimusta julkaistaan joka päivä, ja on tärkeää pysyä ajan tasalla. Tieteellisiä artikkeleita pitää osata lukea sekä pintapuolisesti että syvään pureutuen. Kaikkeen edes oman alan tutkimukseen ei ole aikaa perehtyä, joten pitää pystyä saamaan käsitys siitä, mistä on kysymys, vaikka ei ymmärrä artikkelia tarkkaan. Toisaalta omaan tutkimukseen läheisesti liittyvien asioiden kohdalla on tärkeää osata käydä asiat läpi yksityiskohtaisesti.
Tärkeitä taitoja voisi listata enemmänkin. Niitä oppii tekemällä, eikä kukaan tiedä tai osaa kaikkea. Siksi on tärkeää osata tehdä yhteistyötä ja paikata omia heikkouksia muiden vahvuuksilla. Itse en esimerkiksi osaa koodata (on kauan siitä, kun olen edes oikolukenut toisten koodia) enkä hallitse data-analyysin yksityiskohtia. Muiden kanssa työskennellessä olen oppinut arvostamaan sitä mitä he osaavat, ja samalla näkemään sekä yhteistyökumppanien että itseni rajoitukset.
2 kommenttia “Logiikasta ruuveihin”
-
Fysiikka on inhimillistä toimintaa ja tulla hyväksi fyysikoksi on ainakin osittain samaa kuin tulla hyväksi ihmiseksi. Siihen liittyy tiettyjä moraali- ja eettisiä kriteerejä, jotka eivät poikkea mitenkään muista asioista kiinnostuneiden ihmisten vaatimuksista. Fysiikan tutkimuksen kannalta ongelmallista on rahoituksen hankkiminen hakumenettelyn kautta. Rahoituspäätöksiä nimittäin tekevät esim. vallitsevan hiukkasfysiikan ns. standardimallin kannattajat. Eli ei kannata mennä heille kertomaan, ettei pimeää ainetta ole olemassa. Se on varmin tapa tehdä turhaa työtä! Mikä tahansa idea, millainen pimeän aineen hiukkanen voisi olla, on parempi. Skaalan laajentamien WIMPien aksonien ulkopuolelle sallitaan, mutta ei kieltämistä. Tilanne on verrattavissa urheiluun. Jos sanot, että Putin on rikollinen, niin saat ehkä kilpailla (tosin ilman kansallistunnuksia) muuten et saa. Tällaista on ”mielipiteen vapaus”, jonka väitetään kuuluvan demokratiaan!
Vastaa
Vinouman korjaamista
Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehteen Rihveli 2/2022 siitä, miksi fysiikassa on niin vähän naisia. Artikkeli Vinouman korjaamista on luettavissa tässä. Ote jutusta:
”Yhdysvalloissa vuonna 2012 tehty tutkimus havainnollistaa asiaa. Siinä 127 yhdysvaltalaiselle matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan jäsenelle eri yliopistoissa lähetettiin samanlainen hakemus, johon oli laitettu joko miehen tai naisen nimi. Arvioijat pitivät hakijaa pätevämpänä ja tarjosivat tälle korkeampaa palkkaa kun paperissa oli miehen nimi. Sillä ei ollut eroa, oliko arvioija mies vai nainen.”
Vastaa
Rajoituksia monesta suunnasta
Luultavasti noin 80% maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta, joka on havaittu vain gravitaation kautta. Yksi vanhimpia ehdotuksia pimeäksi aineeksi on mustat aukot. Koska pimeä aine on vanhempaa kuin tähdet, nämä mustat aukot eivät ole voineet syntyä tähtien romahduksessa, vaan niiden täytyy olla peräisin muinaisesta maailmankaikkeudesta. Tämän takia ne voivat olla paljon tähtiä kevyempiä tai raskaampia.
Vaikka mustat aukot eivät säteile valoa, niitä voi havaita monella tapaa. Havaintokanavista juhlituin on kahden mustan aukon toisiaan kiertäessään ja toisiinsa sulautuessaan synnyttämät gravitaatioaallot, joista myönnettiin vuonna 2017 Nobelin palkinto. Gravitaatioaaltoja on havaittu nyt 90 kappaletta. Suurimmassa osassa ei ole mitään viitteitä siitä, että lähteenä olisi muuta kuin tähtien romahduksessa syntyneitä mustia aukkoja ja neutronitähtiä. Jokusessa havainnossa on näkynyt kappaleita, joiden alkuperä oudoksuttaa, mutta ei ole selviä todisteita siitä, että ne olisivat muinaisilta ajoilta.
Mutta sekin, että mitään ei ole löydetty on hyödyllistä tietoa. Jos kaikki pimeä aine olisi sen massaisia mustia aukkoja, että niiden lähettämät gravitaatioaallot osuvat gravitaatioaaltokokeiden LIGO ja Virgo havaintoalueelle, niin nämä kokeet olisivat ne nähneet. Tästä voi päätellä, että mustien aukkojen massan pitää olla pienempi kuin sadasosa Auringon massaa tai isompi kuin tuhat Auringon massaa.
Gravitaatioaaltojen lisäksi (oletettavasti) tähtien romahduksessa syntyneitä mustia aukkoja on havaittu niitä kiertävän aineen lähettämän kirkkaan säteilyn kautta. Koeryhmä Event Horizon Telescope julkaisi vuonna 2019 kuvan galaksin M87 keskustan jättimäisestä mustasta aukosta, jonka massa on kuusi miljardia Auringon massaa. Tämän vuoden toukokuussa oli vuorossa kuva sen lajitoverista Linnunradan keskustassa, jonka massa on neljä miljoonaa Auringon massaa.
Myös kevyempien mustien aukkojen ympärille kertyy säteilevää ainetta. Jos kaikki pimeä aine olisi mustia aukkoja, kertymäkiekkojen säteilyä tulisi niin paljon joka puolelta että se olisi havaittu, jos aukkojen massa on yhden ja tuhannen Auringon massan välillä. Jos massa on pienempi, kiekot ovat liian pieniä havaittavaksi. Jos massa on isompi, mustia aukkoja on liian harvassa.
Yksi todistusaineiston palanen pimeän aineen olemassaolon puolesta on se, että galaksit ja galaksiryppäät taivuttavat valoa enemmän kuin mitä näkyvä aine selittää. Myös pienemmät kohteet taivuttavat valoa. Jos meidän ja tähden välistä kulkee pienikokoinen mutta raskas kappale, se keskittää tähden valoa polttolasin lailla, joten tähden kirkkaus hetkeksi kasvaa. Se, että tällaista ylimääräistä tuiketta ei ole nähty, asettaa isoja rajoituksia sille, että kaikki aine koostuisi mustista aukoista. Näiden havaintojen puute sulkee pois massat Auringon massan miljardisosan tuhannesosasta tuhanteen Auringon massaan.
Mustat aukot häiritsevät tähtien ratoja paljon enemmän kuin sellainen pimeä aine, joka koostuu harvasta hiukkaskaasusta. Kun musta aukko kulkee tähden läheltä, se linkoaa tähden korkeampaan nopeuteen, siirtäen sille omaa liike-energiaansa. Tämän takia erityisesti kääpiögalaksit venyvät, kun niiden tähdet pääsevät liikkumaan yhä kauemmaksi keskustasta. Mustan aukon ohikulku voi myös hajottaa kaksoistähtijärjestelmän, kun yksi tähti mustan aukon vetämänä irtoaa toisen otteesta. Koska tällaista ei ole havaittu, mustat aukot eivät voi olla pimeää ainetta, jos niiden massa on Auringon massan ja kymmenen tuhannen Auringon massan välissä.
Mitä isompi on mustien aukkojen massa, sitä vähemmän ja sitä harvemmassa niitä on – ja sitä tehokkaammin tavallinen aine klimppiytyy mustien aukkojen ympärille. Siitä, että tällaista kasautumista ei nähdä, voidaan päätellä, että mustien aukkojen massan pitää olla pienempi kuin sata Auringon massaa, yhä olettaen, että kaikki pimeä aine koostuu niistä.
Jos mustien aukkojen massa on tarpeeksi pieni (alle 10-12 eli tuhannesmiljardisosa Auringon massasta), niitä ei olisi vielä havaittu. Mutta Stephen Hawkingin esittämän ennusteen mukaan mustat aukot säteilevät kvanttimekaanisesti sitä voimakkaammin mitä pienempiä ne ovat.
Jos muinoin syntynyt musta aukko olisi kevyempi kuin 10-16 (eli kymmenesmiljoonasmiljardisosa) Auringon massasta, niin se olisi ehtinyt säteillä kaiken energiansa pois. On tosin mahdollista, että kun aukon massa laskee alle mikrogramman, niin Hawkingin säteily lakkaa ja jäljelle jää pysyvä nokare. Mitkään havainnot eivät poissulje sitä, että pimeä aine koostuu tällaisista nokareista, ja minäkin olen sitä mahdollisuutta tutkinut.
Joka tapauksessa 10-16 ja 10-12 Auringon massan välissä on ikkuna, jossa kaikki pimeä aine voisi olla mustia aukkoja. Tämä vastaa asteroidien massaa, ja tällaiset mustat aukot olisivat suunnilleen atomin kokoisia.
Monet mainituista rajoista mustien aukkojen massoille menevät päällekkäin. Tämä on eduksi, koska kullakin havainnolla on omat epävarmuutensa.
Esimerkiksi mustien aukkojen tähtien ratoihin aiheuttaman häiriön suuruuteen vaikuttaa se, miten mustat aukot klimppiytyvät. Jos ne kerääntyvät keskenään kimpuiksi, kimppuja on harvemmassa kuin yksittäisiä mustia aukkoja, joten niiden aiheuttamat häiriöt ovat harvinaisempia. Lisäksi yllä on oletettu, että kaikilla pimeän aineen mustilla aukoilla on sama massa. Mustien aukkojen alkuperän selittävien mallien mukaan kuitenkin samalla syntyy monia erimassaisia mustia aukkoja.
Yksityiskohdista kiistellään, mutta vaikuttaa siltä, että ainoat mahdollisuudet ovat tosiaan asteroidien massaiset mustat aukot tai Hawkingin säteilystä jäljelle jääneet nokareet. Edelliset voisi havaita etsimällä röntgensädelähteiden tuiketta tähtien sijaan. Havaintoa tuskin tehdään –tai kaikkia asteroidimassoja saadaan poissuljettua– ennen kuin aikaisintaan 2030-luvulla. Vaikka sopivia havaintolaitteita on jo, kuten intialainen AstroSat-röntgensatelliitti, tällaisia mahdollisia mustia aukkoja ei taideta pitää niin tärkeänä kohteena, että niihin pian pantaisiin tarpeeksi havaintoaikaa.
Mustien aukkojen jahti osoittaa miten aivan erilaisia havaintoja voi käyttää saman asian luotaamiseen, eikä kannata keskittyä vain yhteen suuntaan. Se myös muistuttaa siitä, että löytöjen puute on itsessään arvokasta tietoa, joka ohjaa teoreettista tutkimusta kertomalla miten asiat eivät ainakaan ole.
30 kommenttia “Rajoituksia monesta suunnasta”
-
Tätä korjausviestiä ei tule julkaista.
3. viimeisessä kappaleessa ei liene tarkoitus mainita ”mustien tähtien ratoihin aiheuttaman…” vaan ”mustien aukkojen tähtien ratoihin aiheuttaman…” Samassa kappaleessa ”pimeä aineen” –> ”pimeän aineen”.
Voimia popularisointiin!
-
Pimeän energian (ja aineen) uskotaan selittävän maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisen. Tämän kiihtymisen on sanottu alkaneen noin 5 miljardia vuotta sitten. Voisiko ajatella, että siihen mennessä kuluneen vajaan 9 miljardin vuoden aikana mustia aukkoja (eli pimeää energiaa ja ainetta) oli syntynyt riittävän paljon kiihtyvän laajenemisen synnyttämiseksi?
Eikö olisi loogista, että näkyvän aineen, käytännössä tähtien, määrä vähenee ja mustien aukkojen määrä kasvaa ajan myötä, jolloin pimeän aneen määrä ja maailmankaikkeuden kiihtyminen lisääntyvät?
-
Aine ja energia ovat mustissa aukoissa erottamattomia. Eli mustat aukot ovat sekä pimeää ainetta että pimeää (painovoima)energiaa, eikö?
-
”Se myös muistuttaa siitä, että löytöjen puute on itsessään arvokasta tietoa, joka ohjaa teoreettista tutkimusta kertomalla miten asiat eivät ainakaan ole.”
Löytöjen puute saattaa olla arvokasta, mutta eihän se tietoa ole? Jos mahdollisia tapoja, miten asiat voidaan tehdä, on hyvin paljon, niin ei se paljoa auta, jos olemme toteuttaneet yhden toimimattoman idean! Kansallismuseossa on hankasalmelaisen kylähullun tekemä ikiliikkuja, joka olisi toiminut, jos siinä olisi ollut ”kylymä ilima laahutin” eli lämmitin. Vaikka kaikki maailman kylähullut väsäisivät oman ikiliikkujansa, niin ei asia muutu, koska heiltä puuttuu tieto, miksi ikiliikkuja ei voi toimia.
-
Jos mikrogramman auko osuu maapalloon, mitä käy?
-
Miten musta aukkko voi olla keveä? Siinähän aine on kasaantunut lähes äärettömän tiiviiksi ja samalla siis painavaksi. Jostain olen lukenut, että atomiytimen kokoinen musta aukko painaa 1000 000 000 000 kg.
-
Mustista aukoista kysyisin, että onko niihin teoriassa liitetyt madonreiät kaksisuuntaisia? Olisiko mahdollista havaita mustista aukoista meillepäin virtaavaa liikennettä?
-
Mihin perustuu väittämä ”Koska pimeä aine on vanhempaa kuin tähdet,”?
-
Pimeä aine lienee jollakin tavalla lokalisoitunutta energiaa johon voidaan liittää omanlaisensa kvanttikenttä? Mutta voisiko tämä massaenergiatiheytenä havaittu pimeä aine olla vain ilmentymä Standardimallin kvanttikenttien sisältämästä energiasta, kun siis oletetaan ettei kaikki sellainen aaltomainen energia ole kasaantunut ja muuttunut näkyviksi hiukkasiksi? Tällöin ei olisi myöskään mitään pimeitä hiukkaisia, jotka voisivat vuorovaikuttaa toistensa kanssa jollakin pimeällä tavalla.
-
Voisiko muinaisten mustien aukkojen massajakauma olla tasainen esim. 10^-16 – 10^10 auringon massan alueella ja näin kattaa koko puuttuvan pimeän aineen massan? Tällöin niitä olisi vaikea testeillä, jotka keskittyvät yhteen kapeaan massa-alueeseen kerrallaan, kun siinä alueella olisi vain murto osa muinaisten mustien aukkojen kokonaismassasta.
Vastaa
Viisareina tähdet
Kirjoitin kesäkuussa maailmankaikkeuden iän määrittämisestä. Mainitsin, että jos ”tiedetään miten jotkut kappaleet –vaikkapa tähdet tai galaksit– kehittyvät, niin sellaisen iän voi arvioida ulkonäön perusteella”. Palaan nyt tähän iän arviointiin.
Maailmankaikkeudessa on galakseja, joiden kehityksen avulla mitataan aikaa. Kosmologeille on tullut tavaksi kutsua niitä kosmisiksi ”kronometreiksi” eli aikamittareiksi. Tälle on kyllä arkisempikin sana: kello.
Viisarikello kertoo, montako kertaa viisari on liikkunut sovitun nollakohdan jälkeen (eli viimeisimmän keskiyön tai keskipäivän). Kun tiedetään, kauanko yksi viisarin liike kestää, tämä lukumäärä kertoo paljonko aikaa on kulunut.
Kun aikaa mitataan galakseista, viisareina ovat tähdet. Tähtien elämänkaari tunnetaan hyvin: tähti muodostuu kaasupilvien romahtaessa ja kehittyy eri vaiheiden läpi valkoiseksi kääpiöksi, neutronitähdeksi tai mustaksi aukoksi, riippuen siitä kuinka massiivinen se on.
Niinpä galaksin iän voi määrittää katsomalla missä kehitysvaiheessa olevia tähtiä siinä on. Erityisesti vanhimmat tähdet ovat tärkeitä, koska ne antavat alarajan galaksin iälle. Galaksien valo sisältää valtavan otoksen erilaisten tähtien valosta – esimerkiksi Linnunradassa noin 100 miljardia tähteä.
Tässä on se hyvä puoli, että ei ole niin väliä mitä joillekin yksittäisille tähdille on tapahtunut – poikkeamat hukkuvat isoon otokseen. Varjopuoli on se, että tähtien kehityksen lisäksi pitää tietää, miten tähtien jakauma kehittyy galaksissa.
Tämän takia yritetään keskittyä galakseihin, jotka eivät ole yhtyneet toisiin galakseihin. Galaksien sulautuminen sekoittaa niiden tähdet keskenään, minkä takia on vaikeampi selvittää millainen tähtien jakauma oli alun perin ja miten se on kehittynyt. Lisäksi pyritään valitsemaan galakseja, joissa ei enää juuri muodostu uusia tähtiä, tähtiväestö vain vanhenee tasaisesti.
Sen lisäksi, että yhdessä galaksissa on paljon tähtiä, vaihtelua suitsitaan käyttämällä kellona yhden galaksin sijaan tuhansia galakseja eri puolilla taivasta. Tällöin mahdollisesti poikkeuksellisten yksittäisten galaksien vaikutus on vähäinen, ja satunnaisten vaihtelujen merkitys pienenee otoksen koon kasvaessa.
Galaksin valosta on helppo mitata punasiirtymä, joka kertoo paljonko avaruus on laajentunut sen jälkeen kun valo lähti matkaan. Kun verrataan sitä, miten eri galaksien punasiirtymä riippuu niiden iästä, saadaan selville, miten maailmankaikkeus laajenee ajan kuluessa. Tämä on yksi suorimpia tapoja mitata avaruuden laajenemisnopeutta ja sen muutosta.
Usein laajenemisnopeus sen sijaan päätellään mittaamalla galaksien punasiirtymiä ja etäisyyksiä. Etäisyyden ja punasiirtymän suhdetta verrataan jonkin kosmologisen mallin ennusteeseen, ja mallista sitten lasketaan miten avaruus on laajennut. Tällainen päätelmä laajenemisnopeudesta on epäsuora ja riippuu käytetystä kosmologisesta mallista. Isoin epävarmuus liittyy siihen, millaista olettaa pimeän energian olevan.
Laajenemisnopeuden määrittäminen kosmisten kellojen avulla ei riipu siitä millaista pimeä energia on, mutta se on herkkä sille, miten tähtisisällön kehitystä mallinnetaan. Galaksit ovat monimutkaisempia kappaleita kuin tähdet, ja niiden tähtiväestön synnystä ja kehityksestä on kilpailevia malleja. Mallit johtavat erilaisiin tuloksiin galaksien iästä ja siten maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta.
Jotkut suositut kehitysmallit ennustavat maailmankaikkeuden iän aivan pieleen. Voi sanoa, että laajenemisnopeuden kannalta tällä ei ole väliä, koska se riippuu vain siitä, miten ikä muuttuu punasiirtymän myötä, ei iän nollakohdasta. Kello voi mitata ajan kulumista tarkasti, vaikka se olisi väärässä ajassa. Mutta se, että malli ennustaa yhden asian väärin herättää epäilyksen siitä, osuuko oikeaan muissa asioissa.
Yksi kosmologian pohdituimpia kysymyksiä tällä hetkellä on se, että kosmisesta mikroaaltotaustasta päätelty avaruuden laajenemisnopeus on pienempi kuin lähellä olevien supernovien avulla mitattu. Kosmiset kellot sopivat paremmin yhteen supernovien tulosten kanssa kuin kosmisen mikroaaltotaustan, mikä viittaa siihen, että ristiriitaa ei voi ratkaista peukaloimalla mikroaaltotaustaa. Tilastolliset virherajat sekä tähtiväestön kehitysmallien epävarmuus ovat tosin vielä liian isoja, jotta tästä voisi tehdä varmoja päätelmiä.
Eteenpäin pääsemiseksi ei riitä että mitataan lisää galakseja, tarvitaan parempi ymmärrys niiden tähtiväestön kehityksestä. Tämä on esimerkki kosmologian ja tähtitieteen (hienommin sanottuna astrofysiikan) erosta. Tähtitieteilijät tutkivat galakseja niiden itsensä takia, kosmologit käyttävät niitä kelloina.
18 kommenttia “Viisareina tähdet”
-
Pallomaiset tähtijoukot saattaisivat olla yksinkertaisempia kohteita mallintaa kuin galaksit. Olisikohan niiden havaitseminen mahdollista tulevaisuudessa jopa kosmologisilta etäisyyksiltä? Jollei suoraan, niin ehkä käyttäen painovoimalinssejä apuna(?)
-
Onko mahdollista, että mikroaaltotaustan syntyaikana laajeneminen oli hitaampaa kuin myöhemmin galaksien syntymisen jälkeen?
-
ei varsinaisesti liity aiheeseen, nöyrät pahoittelut;
voivatko eräissä teorioissa mainitut lisäulottuvuudet olla aikaulottuvuuksia, tilaulottuvuuksien sijaan? Esim 10-ulottuvuutta muodostuisi 3 tila- & 7 aikaulottuvuudesta? Matemaattisesti tällä ei liene eroa; mutta käytännön erona se, ettei lisää tilaulottuvuuksia tarvitse ”etsiä”
Entä voiko olla muun tyyppisiä ulottuvuuksia kuin aika- tai tilaulottuvuudet?kiitos
-
Jos oletetaan, että kiihtyvä laajeneminen johtuu kosmisen rakenneverkon tiivistymisestä, niin saisiko eritavalla mitattujen laajenemisnopeuksien ero jonkin luonnollisen selityksen, vai olisiko asia edelleen mysteeri?
-
Utamin kysymyksiä: Muuttuuko asia lisäämällä ulottuvuuksia olettamalla aika yhdeksi niistä? Miten ns. suunnat poikkeavat ulottuvuuksista? Miten paljon on yhtä paljon aika- ja paikkasuunnassa? Liikutaanko aika- ja paikkasuunnassa yhtä aikaa, siis mitä yhtä aikaa? Einsteinin aika-avarusjatkumo lienee koordinaatisto, missä hiljaista on kuin huopatossutehtaassa.
-
Voiko universumin muoto olla epähomogeeninen, jolloin ΛCDM malli antaisi eri vastauksen Hubblen vakiolle mikroaaltotaustasta ja supernovista mitattuna. Eli jos mikroaaltotaustasta mitattu avaruuden muoto on lievästi postiviinen, voi se olla hieman erilainen supernova mittausten alueessa.
Vastaa
Fysiikkaa runoilijoille ja kosmologiaa
Luennoin taas tänä syksynä kurssin Fysiikkaa runoilijoille Helsingin yliopistolla. Sen voi suorittaa myös Avoimessa yliopistossa. Ilmoittautuminen kurssille on auki.
Luennot ovat paikan päällä maanantaisin kello 14-16 ja tiistaisin kello 12-14, alkaen tiistaina 6. syyskuuta. Luennoille ovat tervetulleita myös yliopiston ulkopuoliset. Luentoja ei nauhoiteta eikä striimata.
Kurssilla kuvataan fysiikan teorioiden kehitystä ja sisältöä fyysikon näkökulmasta, ja avataan niiden käsitteitä ja maailmankuvallista merkitystä. Aiheina ovat Newtonin klassinen mekaniikka, suhteellisuusteoria, kvanttifysiikka, kosmologia, ja lopussa muutama lyhyesti yritykset kohti kaiken teoriaa. Kurssi ei edellytä esitietoja fysiikasta eikä sisällä laskemista.
Kurssin sivuilla on palautetta edellisten vuosien opiskelijoilta sekä neuvoja kurssin käymiseen, tässä poiminta:
”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.”
Luennoin syksyllä myös Ursalle kosmologiasta kurssin kerran paikan päällä Tieteiden talolla ja kerran etänä. Edellisinä vuosina liput on myyty loppuun nopeasti, eli jos haluaa mukaan, niin kannattanee ostaa pian. Kurssien sisältö on sama, Ursan sivujen kuvauksen mukaan kumpikin kurssi
”tarjoaa napakan katsauksen moderniin kosmologiaan, sen oleellisimpiin teorioihin sekä hieman myös kosmologian historiaan. Kurssilla käsitellään mm. maailmankaikkeuden historia, ison mittakaavan rakenteet, kosmisen mikroaaltotausta, pimeä aine, pimeä energia ja kosminen inflaatio.”
Vastaa
Yhteyksiä ja unelmia
Olin heinä-elokuun vaihteessa matemaatikkojen ja fyysikoiden yhteisessä konferenssissa Palestiinassa. Konferenssi jatkoi vuonna 2008 alkanutta sarjaa, jossa järjestetään tapaaminen joka toinen vuosi eri yliopistossa Miehitetyillä palestiinalaisalueilla. Nyt vuorossa oli Birzeitin yliopisto, missä luennoin syksyllä 2018 kosmologiaa. Konferenssia edelsi järjestön Scientists for Palestine järjestämä opiskelijoille suunnattu kesäkoulu koneoppimisesta.
Konferenssiin osallistui palestiinalaisia Länsirannalta ja Gazasta –jälkimmäisestä etänä, koska Gaza on Israelin 15 vuotta kestäneen saarron alla– ja ulkomailta, sekä parikymmentä muuta ulkomaista kutsuttua puhujaa. Olin kutsuttujen joukossa ja konferenssin tieteellisessä komiteassa.
Kuten minulla on tullut tavaksi todeta, konferenssien tärkein anti on kohtaamiset ja keskustelut. Sen lisäksi, että kohtaa uusia tutkijoita ja kuulee odottamattomia näkökulmia, myös tapaa vanhoja tuttuja. Tohtoriksi valmistumisen ja pysyvän työpaikan saamisen välisinä vuosina tutkijat matkaavat maasta toiseen kisällien tapaan, joten kollega- ja ystäväpiiri kasvaa ja hajaantuu ympäri maailmaa; konferenssit kokoavat väkeä yhteen.
Palestiinalaisten kohdalla tämä korostuu, koska miljoonat heistä ovat pakolaisina ympäri maailmaa, ja Israel estää heitä muuttamasta kotimaahansa, koska he kuuluvat väärään etniseen ryhmään. Fysiikassa yksi ongelma on se, että Länsirannan yliopistoissa ei ole alan tohtoriohjelmaa, joten pitää lähteä ulkomaille jos haluaa tehdä väitöskirjan. Oli mukava tavata taas opiskelijoita, jotka olivat käyneet kosmologiakurssini vuonna 2018 ja kuulla mitä he ovat tehneet valmistuttuaan maisteriksi, mutta ikävä havaita, että kaikki jotka olisivat halunneet jatkaa opintojaan eivät olleet niin tehneet.
Nuoremmat opiskelijat kysyivät, koska tulisin luennoimaan kurssin uudelleen. Israel on tehnyt siitä entistä vaikeampaa tiukentamalla rajoituksia, joilla se eristää miehitettyä Länsirantaa muusta maailmasta. Luennoitsijan täytyy jättää hakemus Israelin miehityshallinnolle, jonka sotilaat päättävät, onko luentojen aihe oleellinen palestiinalaisille ja onko luennoitsija pätevä. Lisäksi ulkomaisille luennoitsijoille on 100 hengen yläraja: useampi ei saa tulla opettamaan, vaikka Länsirannalla asuu kolme miljoonaa palestiinalaista.
Miehityshallinnon sallimissa puitteissa osassa Länsirantaa paikallishallintona toimivan Palestiinalaishallinnon opetusministeri Marwan Awartani avasi konferenssin. Awartani piti epämuodollisen puheen, missä hän muisteli menneitä ja patisti yliopistolaisia yhteistyöhön kouluopettajien kanssa. Opettajille on yliopistoissa järjestetty kesäkouluja tietojen päivittämiseksi, ja hän kehotti fyysikkojen ja matemaatikkojen seuroja perustamaan omia jaostoja opettajille, jotta näillä olisi tiiviimpi yhteys yliopistoihin ja tieteeseen.
Tämä ei ollut ulkopuolisen lausunto: Awartani on taustaltaan matemaatikko, ja hän oli perustamassa ensimmäistä palestiinalaisten matemaatikkojen seuraa ja järjestämässä ensimmäistä palestiinalaista matematiikan konferenssia. Awartani myös valitti, että useampia opiskelijoita pitäisi saada kiinnostumaan matematiikasta ja luonnontieteistä ja niihin liittyvästä kriittisestä ajattelusta.
Tieteellisen ohjelman avasi Cambridgen yliopiston ja Texas A&M -yliopiston Edriss Titi, joka puhui siitä, miten turbulenssin tutkiminen yhdistää fysiikkaa ja matematiikkaa. Turbulenssi on nesteissä ja kaasuissa esiintyvä kaoottinen ilmiö, jossa energiaa siirtyy isosta mittakaavasta pieneen ja syntyy pyörteitä. Turbulenssi on tärkeä osa monia fysiikan käytännön sovelluksia (esimerkiksi polttomoottorien palamisessa ja lentokoneiden liikkeissä), ja sen ymmärtämisessä on vielä merkittäviä aukkoja.
Matemaatikko kun on, Titi kuitenkin käsitteli turbulenssia esimerkkinä ilmiöstä, jota tutkittaessa löydetyt matemaattiset rakenteet ovat kiinnostavampia kuin sovellukset, joita varten asiaa mallinnetaan. Hän vertasi tätä siihen, miten persialainen matemaatikko Muhammad ibn Musa al-Khwarizmi kehitti 800-luvulla algebran ratkaistakseen islamilaiseen perintölakiin liittyviä ongelmia.
Muussa ohjelmassa fysiikan ja matematiikan puheet olivat erikseen. Fysiikan aiheissa oli laaja kirjo: säieteorian uudesta muotivirtauksesta kaksiulotteisiin materiaaleihin, joita voidaan käyttää muuttamaan hiilidioksidia metanoliksi; uusista Higgsin hiukkasista tuulivoimaloiden tehokkuuden arviointiin. Oli mukava huomata, että mukana oli paljon gradun tai väitöskirjan tekijöitä puhumassa työstään. Konferensseihin osallistuminen ja oman työn esittäminen on tärkeä oppimisen väline.
Eri aloja yhdistävissä konferensseissa (myös Suomen Fysiikan päivillä) on usein se ongelma, että suurin osa puheista on laadittu oman alan tutkijoille. Koska tutkimus on hyvin erikoistunutta, on raskasta ja vaikeaa yrittää seurata kaukana omasta alasta olevia esityksiä, vaikka aihe kiinnostaisikin. Toisaalta joskus voi ilmetä hyödyllisiä yhteyksiä. Esimerkiksi konferenssissa oli kokeellisten fyysikkojen puheita perovskiitti-mineraalin käytöstä tehokkaampien ja ympäristöystävällisempien aurinkokennojen valmistamisessa, ja paikalla olleiden teoreetikkojen osaamisesta voi olla hyötyä tuon paljolti kokeisiin perustuvan tutkimuksen viemisessä eteenpäin.
Jocelyn Bell Burner Oxfordin yliopistosta puhui etänä otsikolla ”Naisena (astro)fysiikassa”. Bell Burner löysi ensimmäiset pulsarit vuonna 1967 ollessaan Antony Hewishin jatko-opiskelija. Löydöstä myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1974, mutta Bell Burner ei ollut palkinnonsaajien joukossa. Muun muassa tähtitieteilijä Fred Hoyle, joka ensimmäisten joukossa ymmärsi että pulsarit ovat supernovien jäänteitä, arvosteli päätöstä. Bell Burner on itse ollut sitä mieltä, että päätös johtui ennemmin siitä, että hän oli opiskelija kuin siitä että hän on nainen, ja on sanonut ymmärtäneensä sen. Bell Burnerin taustasta ja pulsarien löytämisestä voi kuulla enemmän New York Timesin minidokumentista, mihin häntä haastateltiin vuonna 2018.
Konferenssissa Bell Burner ei puhunut tuosta menneisyydestä, mutta kävi läpi siitä, miten hänen aikanaan naiset kasvatettiin palvelemaan muita ja arvioimaan menestymistään aviomiehensä kautta, ja millaisia esteitä naispuolisten tieteilijöiden tiellä vieläkin on. (Lisää aiheesta täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä.)
Puheessaan Bell Burner esitteli kansainvälisen tähtitieteellisen järjestön IAU:n tilastoja naisten osuudesta tähtitieteilijöistä ei maissa. Hän totesi osuuden kasvaneen hitaasti ajan myötä. Hän myös kiinnitti huomiota siihen, että monet maat joissa naisten osuus on isoin ovat etelässä. Maista, joissa on yli 100 IAU:n jäsentä eniten naisia on Argentiinassa (41%), Italiassa (31%), Etelä-Afrikassa (29%) sekä Indonesiassa ja Ranskassa (26%). Suomessa osuus on 20%, Ruotsissa 16%, ja Bell Burnerin asuinmaassa Iso-Britanniassa 18%.
Mahdollisiksi syiksi Bell Burner ehdotti sitä, että näissä maissa tähtitiede olisi vähemmän arvostettua, eikä siksi kiinnostaisi miehiä niin paljon, ja että lastenhoitoon olisi helpommin saatavilla palkattua apua ja tukea isovanhemmilta. Hän suositteli vasta ilmestynyttä kirjaa The Sky Is for Everyone, johon on koottu naistähtitieteilijöiden kertomuksia urastaan. (Tähän blogiin saattaa jossain vaiheessa ilmestyä arvostelu kirjasta.)
Ilmiö ei rajoitu tähtitieteeseen. Esimerkiksi tässä palestiinalaisessa konferenssissa naisten osuus oli isompi kuin yleensä vastaavissa eurooppalaisissa konferensseissa, ja Birzeitin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaani ja konferenssin pääjärjestäjä Wafaa Khater on nainen. (Birzeitissakin kyllä ylivoimainen enemmistö professoreista ja muista korkeamman aseman fyysikoista on miehiä.)
Toinen asia mitä Bell Burner korosti oli se, että tieteen esittämisessä jää yleensä liian pieneen rooliin se, miten tärkeitä ovat mielikuvitus, intuitio ja unelmat, jotka auttavat kehittämään ideoita siitä mitä tehdä ja miten.
4 kommenttia “Yhteyksiä ja unelmia”
-
Monet noista maista, joissa naisten osuus on suurempi, ovat sellaisia, joissa vain varakkaiden vanhempien lapsilla on mahdollisuus kouluttautua pitkälle. Voisiko olla, että stereotypia ”miesten ja naisten aloista” ei elä niin vahvana maassa, jossa pienemmällä osuudella ihmisistä on ylipäätään mahdollisuus edetä akateemisella uralla? Onkohan tätä tutkittu ja millaisin tuloksin? (Ja minkä tieteenalan alle kysymys edes kuuluu? Antropologia vai sosiologia?)
-
Nobel-komitean ehkä suurin möhläys oli Lise Meitnerin jättäminen ilman fysiikan palkintoa silloin kun Otto Hahn sen sai. Syy oli Meitnerin väärä sukupuoli! Nyt Israelissa on Meitnerin nimeä kantava tutkimuslaitos. Somessakin vaikutti huomattava tähtitietelijä prof. Liisi Oterma, jonka ansioita kannattaisi tähtitietelijöiden tuoda enemmän esiin. Oterma oli vaatimaton ja kiinnostunut myös kielistä. Tanskalainen kollega luonnehti häntä, että Oterma vaikenee yhdellätoista kielellä!
-
Tässä hyviä ja mielenkiintoisia pätkiä turbulenssista (kun mainittiin merkinnässä) meille maallikoille. Tompassa on ehkä hieman sellaista Syksymäistä habitusta.
Navier-Stokes
https://www.youtube.com/watch?v=ERBVFcutl3M
Reynolds Number
https://www.youtube.com/watch?v=wtIhVwPruwY
Käytäntö, Tompan PhD.
https://www.youtube.com/watch?v=5mGh0r3zC6Y
Vastaa
Kello tähden pinnalla
Kun mainitsin että kosminen mikroaaltotausta muodostui maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuotta vanha, kommenteissa kysyttiin miten tämä ajankohta tiedetään niin tarkasti, kun maailmankaikkeuden nykyinen ikä tunnetaan paljon huonommin.
Maailmankaikkeudessa ei ole yhtä kelloa, jonka viisarien asennosta voisi suoraan katsoa paljonko aikaa on kulunut. Jos tiedetään miten jotkut kappaleet –vaikkapa tähdet tai galaksit– kehittyvät, niin sellaisen iän voi arvioida ulkonäön perusteella. Jos pystyy lisäksi päättelemään, kuinka kauan maailmankaikkeuden alusta kesti siihen, että kappale muodostui, saa selville kuinka vanha maailmankaikkeus oli silloin kun siitä meille nyt saapuva valo lähti matkaan.
Usein iän määrittäminen on kuitenkin epäsuorempaa, eikä varhaisina aikoina ennen tähtien ja muun rakenteen muodostumista ole mitään kappaleita nähtäväksi. Niinpä yksi keskeinen tapa ajan mittaamiseen on maailmankaikkeuden lämpötilan ja iän suhde. Koska aine jäähtyy avaruuden laajetessa, kahden tapahtuman lämpötilan vertailu kertoo paljonko maailmankaikkeus on niiden välillä laajentunut.
Esimerkiksi kosmisen mikroaaltotaustan lämpötila on nykyään 2.7 K. Kosminen mikroaaltotausta syntyi kun aine oli jäähtynyt niin paljon, että atomit muodostuvat, minkä tiedetään tapahtuvan 3000 kelvinin lämpötilassa. Tästä voidaan päätellä, että avaruus on venynyt 1 100-kertaiseksi mikroaaltotaustan matkaan lähdöstä tähän päivään.
Jos tiedetään, millaista ainetta maailmankaikkeudessa on, niin yleinen suhteellisuusteoria ennustaa miten maailmankaikkeus laajenee. Tällöin siitä paljonko avaruus on venynyt voidaan lukea maailmankaikkeuden ikä.
Myöhäisinä aikoina tulee vastaan se ongelma, että tällainen iänmääritys on vain yhtä varma kuin tietomme siitä, miten avaruus laajenee. Harmillisesti suurin mysteeri kosmologiassa on se, mikä aiheuttaa muutaman viimeisen miljardin vuoden aikana tapahtuneen kiihtyvän laajenemisen, ja miten laajenemisnopeus on tismalleen muuttunut.
Varhaisina aikoina ainesisältö kuitenkin tunnetaan, joten lämpötilan ja iän yhteys on selvä. Koska hiukkasfysiikan pohjalta tiedetään tarkasti, mitä kussakin lämpötilassa tapahtuu, voidaan maailmankaikkeuden vaiheet ajoittaa tarkasti.
Esimerkiksi neutriinot vuorovaikuttavat muiden hiukkasten kanssa sitä heikommin, mitä vähemmän niillä on energiaa, eli mitä alhaisempi niiden lämpötila on – lämpötilahan mittaa hiukkasten liike-energiaa. Kun hiukkaspuuron lämpötila laskee alle kymmenen miljardin asteen, neutriinojen vuorovaikutuksista tulee niin heikkoja, että ne kytkeytyvät irti maailmankaikkeuden muusta aineesta ja matkaavat vapaasti. Teoriasta voimme laskea, että tämä lämpötila vastaa yhden sekunnin ikää.
Ensimmäisten noin kahden ja kolmenkymmenen minuutin välillä kevyiden alkuaineiden –vedyn, heliumin ja litiumin– ytimet syntyvät protoneista ja neutroneista. Protonien, neutronien ja ydinten käytöksen määräävä ydinfysiikka riippuu herkästi lämpötilasta ja maailmankaikkeuden laajenemisesta.
Jos maailmankaikkeudessa ei olisi neutriinoita, avaruus laajenisi verkkaisemmin, jolloin lämpötila laskisi hitaammin ja helium-4:ää syntyisi vähemmän. Toisaalta jos olisi olemassa tuntemattomia neutriinojen kaltaisia hyvin heikosti vuorovaikuttavia hiukkasia, laajenemisnopeus olisi isompi, ja syntyisi enemmän helium-4:ää. Samoin jos olisi tuntemattomia protonien ja neutronien kanssa vuorovaikuttavia hiukkasia, ne voisivat sotkeutua ydinten muodostumiseen. Ensimmäiset minuutit ovat hiukkasfysiikan laboratorio.
Erilaisten ydinten määrä muuttuu ensimmäisten minuuttien hiukkaskeitossa kun ne syntyvät, törmäilevät ja hajoavat. Kun ydinreaktiot lämpötilan laskiessa sammuvat, ydinten määrät pysähtyvät kuin kellojen viisarit. Jos nyt mitatut ydinten pitoisuudet kaikki vastaavat ennusteita, voimme todeta, että käsityksemme tapahtumien ajoituksesta pitää paikkansa. Jos pitoisuudet näyttävät eri lukemaa, on syytä miettiä uudelleen, mitä on oikein tapahtunut.
Tällä hetkellä on mahdollista mitata kevyen neljän ytimen (deuterium, helium-3, helium-4 ja litium-7) pitoisuudet. Vedyn ja heliumin määrän voi selvittää tiiraamalla kaasupilviä, joissa on vain vähän raskaampia alkuaineita. Raskaammat ytimet syntyvät tähdissä: niiden puute on merkki siitä, että kaasua ei ole juuri prosessoitu, joten ydinten pitoisuudet ovat jokseenkin samat kuin mitä ne olivat ensimmäisen puolen tunnin jälkeen. Litiumin määrä mitataan vanhojen tähtien pinnoilta.
Muut luvut sopivat ennusteisiin, mutta litium-7:ää on vain kolmannes odotetusta määrästä. Syynä voi olla uudet hiukkaset tai muu toistaiseksi tuntematon fysiikka. Arkisemmin tämä voi johtua siitä, että litiumia tuhoutuu tähdissä odotettua tehokkaammin. Toissaviikon konferenssissa Physics of the Early Universe esittämässään katsauksessa kevyiden alkuaineiden syntyyn Oleg Ruchayskiy korosti sitä mahdollisuutta, että ydinfysiikan mittaukset siitä, miten ytimet vuorovaikuttavat ovat olleet epätarkkoja, ja voi olla että ongelma poistuu kun ne kaikki päivitetään.
Olipa ratkaisu mikä tahansa, johtopäätöksemme varhaisten aikojen tapahtumista ja niiden ajoituksesta ovat samaan aikaan epäsuoria ja täsmällisiä: luemme tähtien pinnan koostumuksesta, mitä ensimmäisten minuuttien aikana tapahtui sekuntien tarkkuudella.
37 kommenttia “Kello tähden pinnalla”
-
Kiitos! Tämä oli hyvin selventävä esitys ydinmagneettista resonanssia ikänsä tehneelle!
-
Tämä on varmaan kysytty moneen kertaan, mutta 380 000 vuotta kuulostaa nykykorvaan käsittämättömän pitkältä ajalta. Oliko 380 000 vuotta ajan alusta sama, kuin minkä me nykyään käsitämme 380 000 vuodeksi?
-
Miten pimeän aineen oletetaan vaikuttaneen maailmankaikkeuden alkuvaiheen kehitykseen? Oletettavasti ainakin painovoiman kautta, mutta onko mitään muuta ilmiöitä maailmankaikkeuden alkuajoista, joiden selittäminen edellyttää pimeää ainetta?
-
Koska maailmankaikkeuden ikä on kaikkialla sama niin se vaikuttaisi muodostavan eri havainnoijille heidän liike- tai gravitaatiotiloistaan riippumattoman universaalin aikareferenssin. Mahdolliset aikojen kuluessa tahtuneet kellon käynnin muutoksethan ei vaikuta tältä osin asiaan vaikka iän tarkka mittaaminen käyttämissämme aikayksiköissä jääkin epätarkaksi.
ST ei sisällä yleistä aikareferenssiä vaan käyttää pelkästään suhteellisia havainnoijien liike- tai gravitaatiotiloista riippuvia aikoja. Ilmiö ei tietenkään ollut tunnettukaan teorian syntyaikana.
Mutta, olisikohan näin ollen syytä käsittää aika dualistiseksi ilmiöksi, kuten muutamat muutkin asiat kosmologiassa?
-
Maailmankaikkeuden alun täsmälliset aikamääritelmät saatu hämmästyttävän tarkoin selvitettyä.
Kertomasi auttaa hieman asiaan perehtymättömänäkin ymmärtämään sitä.
Kellojen viisareista sain tänään uuden oivaltavan havainnon:
Viime viikolla oli kerrostalomme kierrätykseen jätettynä isohko viisarikello (+ 0,5 metriä halkaisija),
jonka otin ja rikkoutuneen paristokielekkeen väliin laiton väännetyn pienen hakaneulan.
Kello alkoi toimia. Huomasin, että iso minuuttiviisarin liike näkyi katsoen ja hieman tuntiviisarinkin.
Mietin, josko maailmankaikkeuden laajentumisen kasvukin jotenkin näkyisi nopeuteen… -
Joskus viime vuosituhannella kaksoisparadoksi ”selitettiin pois” siten, että kiihtyvässä liikkeessä (kuten painovoimankin tapauksessa) kello hidastuu (eivätkä kaksoset siten vanhene eri tahtia).
Nyt vallitseva selitys on se, että nopealla avaruusraketilla matkustava kaksonen vanhenee hitaammin, vaikka alus kiihdyttäisi matkallaan kuinka paljon.
Eikö tämä riko Einsteinin ekvivalenssiperiaatetta? Jo rikkoo, onko sillä mitään käytännön merkitystä?
-
Varhaisten aikojen vaiheisto aineen laajentuessa alkusingulariteetista on selvitetty kiitettävän tarkoin. Päinvastaisen tapahtuman, aineen tiivistyminen singulariteetiksi mustien aukkojen ytimissä olettaisi kulkevan kutakuinkin vastaavissa vaiheissa, vaikka siinä tapahtuman skaala on pienempi niin pienempikin ääretön on kuitenkin ääretön. Singulariteettien tiivistymisvaiheiden selvittämisen osalta kosmogit tuntuvat heittäneen fysiikan ja faktat roskikseen ja tukeutuvan mediaseksikkäisiin fiktioihin.
Toivoisi hieman enemmän jalat maassa analysointia singulariteettien tiivistymisestä sekä ajan luonteesta voimakkaan gravitaation (sm-)tapahtumahorisontissa. Gerochin on kerrottu laskeneen että tasaisesti tiivistyvän linnunradan ympärille muodostuisi (sm-)tapahtumahorisontti linnunradan jatkaessa olemassaoloaan normaalin tapaan hyvinkin pitkään. Sisällä siis vallitsisi sama normaalisti toimiva aika-avaruus ilman mitään science-fiction lajin ilmiötä. Horisontin sisällä vallitsevan ajan toimiva yhtälö ulkopuoliseen nähden olisi varsin mielenkiintoinen.
-
Hei,
Voisiko aika-avaruuden laajeneminen synnyttää ajan? Tai voisiko laajeneminen olla aika? Voisiko olla että rajallisilla aivoillamme vain havaitsemme/koemme laajenemisen aikana
Sanotaanhan, että entropialla ja ainakin ajan suunnalla on yhteys. Mitä jos yhteys on vielä syvempi ja laajenemisen entropian kasvu on aika?
-
Suurin osa fysiikan laeista on aikasymmetrisiä. Poikkeus on termodynamiikan toinen sääntö, joka ennustaa entropian ikuisen kasvun. Ilman avaruuden laajenemista, entropia ei olisi voinut kasvaa ja ajan käsite olisi merkityksetön.
-
Jollei-kysymykset tuntuvat vähän hulluilta (”ilman laajenemista”, kun lukuisat aihetodisteet puhuvat muuta). Tuo tuntuu sikälinskin oudolta, että eihän avaruuden laajeneminen näy kuin vasta galaksiryppäiden välisenä etäisyyden kasvuna. Siis ”ajan käsite olisi merkityksetön” täällä maapallolla/aurinkokunnassa/omassa galaksissamme? Emmehän me ”tunne” laajenemista. Me tunnemme vain entropian kasvun (= meille tutun ajan kulumisen ”suunnan”). Aivan varmasti entropia (termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan) jyllää täällä paikallisesti, ja kunnolla. Ja kuten Räsänen selvästi huomauttaa, yleinen suhtis on myös aikasymmetrinen. Fysiikan suuri kysymys onkin: miksi/miten kosmoksen entropia oli erittäin alhainen (ei välttämättä nolla) ns BB:ssä. Hankaluus tässä on tietää aivan varhaisesta kosmoksesta koska inflaatio putsasi mennessään koko kosmoksen sitä edeltäneen historian (jos sitä ylipäätään edes oli). Inflaatioteorioitahan on liuta (ja joissa voidaan jossain määrin yhdistää suhtista ja kvanttifysiikkaa). Fysiikkamme joltisenkin varmempi tulkinta alkaa kuitenkin vasta inflaation loppuvaiheissa ns HBB:ssä.
Palataan siis asiaan muutaman googolin (100^100) vuoden jälkeen. Sitten voimme (varovasti) ehkä lausua jotain entropian ”ikuisuudesta”.
-
-
-
Kosmoksen ikää olisi vaikea määrittää ilman sen laajenemista. Toki pimeä energia voi heiketä ja kosmos rysähtää kasaan. Kulkeeko aika silloin taaksepäin ja entropia laskee?
-
Eikö tuo avaruuden laajentumine/venyminen johdu siitä että
galaksit vaan painaa avaruudessa?
onko se mahdollista suhteellisuusteorian mukaan?
sori jos on joutava kysymys.
Vastaa
Ravistelu ja romukoppa
Osallistuin viime viikolla etäkonferenssiin Physics of the Early Universe. Alun perin tapahtuman oli tarkoitus olla kosmologiaosuus isossa venäläisten yliopistojen ja tutkimusinstituuttien järjestämässä etäkonferenssissa Quarks-22. Venäjän hyökättyä Ukrainaan järjestäjät ilmoittivat peruvansa Quarks-22:n, koska tämänhetkisessä tilanteessa niin isoa kansainvälistä konferenssia ei voi järjestää.
Kosmologiaosion järjestäjät erikseen tuomitsivat Venäjän hyökkäyksen. He järjestivät osuutensa omana (venäläisistä instituuteista erillisenä) tapahtumanaan, jossa minäkin mielelläni puhuin tutkimuksestani. Jotkut puhujat aloittivat esityksensä tuomitsemalla Venäjän aloittaman sodan ja ilmaisemalla tukensa sen ukrainalaisille uhreille sekä sen venäläisille vastustajille.
Konferenssissa näkyi kosmologian kirjo. Ensimmäinen päivä alkoi puheilla maailmankaikkeudesta vailla alkua, madonreikinä tunnettujen aika-avaruuden ohituskaistojen mahdollisesti aiheuttamista ongelmista, entropian maksimoimisesta selityksenä maailmankaikkeuden tasaisuudelle (vaihtoehtona kosmiselle inflaatiolle), ja muilla spekulatiivisilla ideoilla.
Suurin osa tutkimuksesta on pientä säätämistä toimiviksi todettujen teorioiden liepeillä. On tervettä, että kaikki eivät tyydy tähän, vaan pohtivat myös vähemmän suosittuja ideoita ja esittävät vaihtoehtoja, vaikka niissä olisikin ratkaisemattomia ongelmia. Havaintovetoisilla aloilla kuten kosmologiassa on yleensä hyvät perusteet sille, miksi joistakin ideoista on tullut yleisesti hyväksyttyjä, mutta hyvätkin syyt voivat olla väärin, joten ajatuksia on syytä ravistella.
Spekulatiivisia ideoita kuunnellessa tuntuu siltä, että täytyy olla valppaana, että osaa pitää mielen yhtä aikaa avoimena ja epäilevänä. Samalla ne muistuttavat siitä, miten tärkeää on, että havainnot pitävät teoreetikot oikeassa kurssissa.
On vaikea sanoa, mitkä ideat johtavat edistykseen, etenkin kun samalla ihmisellä voi olla sekä oivaltavan hyödyllisiä että umpikujaan vieviä ideoita. Älykkyys tai kokemus eivät takaa oikeellisuutta. Lisäksi virheellistä ideaa varten kehitetty laskennallinen menetelmä tai fysikaalinen idea voi osoittautua oikeaksi, eli pitää varoa heittämästä pois pesuvettä lapsen mukana.
Suurin osa konferenssista oli lähellä havaintoja ja tunnettua fysiikkaa. Kaikkia kosmologian keskeisiä aiheita käsiteltiin: inflaatiota, pimeää ainetta, pimeää energiaa, baryogeneesiä, galaksien jakaumaa isossa mittakaavassa, mutta enimmäkseen liikuttiin hiukkasfysiikan tienoilla.
Paljon puhuttiin siitä mahdollisuudesta, että Higgsin kenttä on vastuussa kosmisesta inflaatiosta ja siten maailmankaikkeuden rakenteen siemenistä. Tämä yksinkertainen malli on noussut kosmologian keskiöön, semminkin kun se sopii vuosi vuodelta parantuviin havaintoihin yhtä erinomaisesti kuin 15 vuotta sitten, jolloin Fedor Bezrukov ja Mikhail Shaposhnikov sen esittivät. Monet kilpailevat mallit on sen sijaan jouduttu heittämään romukoppaan uusien havaintojen myötä.
Mainittakoon myös Christof Wetterichin työ asymptoottisen turvallisuuden nimellä tunnetun idean parissa. Wetterich pyrkii selittämään samaan aikaan inflaation ja pimeän energian yhdistämällä gravitaation ja hiukkasfysiikan melko yksinkertaisella tavalla. Idea ei ole saanut yhtä suurta suosiota kuin Higgs-inflaatio, mutta on vaikuttavaa, että sen perusteella Wetterich yhdessä Shaposhnikovin kanssa ennusti oikein Higgsin hiukkasen massan ennen sen löytymistä.
Mustat aukot ja gravitaatioaallot, yhdessä tai erikseen, ovat kuuma aihe ja hyvin edustettuina. Nostan esille ystäväni ja yhteistyökumppanini Daniel Figueroan työn siitä, miten eri alkeishiukkaset saattavat varhaisina aikoina jättää ainutlaatuisen jäljen gravitaatioaaltotaustaan. Niinpä gravitaatioaaltoja mittaamalla voitaisiin löytää uusia hiukkasia energioilla, joihin hiukkaskiihdyttimet eivät yllä. Idea yhdistää hiukkasfysiikan pienen ja kosmologian ison mittakaavat hieman samaan tapaan kuin kosminen inflaatio.
Ongelmana on sopivien havaintolaitteiden puute. Vuonna 2037 taivaalle nousevaksi kaavailtu gravitaatioaalto-observatorio LISA voi havaita osan varhaisen maailmankaikkeuden gravitaatioaalloista, mutta monien niistä aallonpituus voi olla liian pieni LISA:n miljoonien kilometrien käsivarsille.
Näiden ideoiden sortteeraamisessa ja uusien kehittelemisessä ovat oleellisia konferensseissa käytävät epämuodolliset keskustelut, joita jää etätapaamisista kaipaamaan, kuten myös vanhojen ja uusien ystävien tapaamista. Tiede etenee yhtä lailla henkilökohtaisen jutustelun kuin tarkan laskemisen ja huolellisten havaintojen kautta.
3 kommenttia “Ravistelu ja romukoppa”
-
Onko inflaation yhdistäminen higgsiin tai pimeään energiaan kilpailevia teorioita? Taoi toisensa poissulkevia?
-
Teoriankehittely on ihmisen työtä ja edellyttää rohkeutta, nöyryyttä ja vuoropuhelua. Mikäli jokin noista jää vajaaksi, tulos kärsii keskinkertaisuudesta, henkilökohtaisista mieltymyksistä tai näkökulmavääristymistä.
Kun luovuus ajatellaan taidoksi toimia taitavasti uudessa tilanteessa, näemme, että teoreettinen fysiikka vaatii myös luovuutta. Toisaalta luonto, jonka johdonmukaisuutta pyritään kuvaamaan, ei jätä ollenkaan sijaa taiteelliselle luovuudelle.
hyvä luento!
kysymys; voiko maailmankaikkeuden laajentuminen , johtua (mahdoliisesti) kauempana olevien universumien vetovoimalla?
Maailmankaikkeus on kaikki aika ja avaruus, mitä on olemassa. Avaruuden laajenemisesta, ks. http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajaton_kasvu
mutta eikö näitä multiversumi hommia ole esitetty?
On, mutta niissä yleensä ”muilla maailmankaikkeuksilla” on kullakin oma erillinen aika-avaruutensa, joka ei ole yhteydessä meidän aika-avaruuteemme. Joskus sanalla ”maailmankaikkeus” myös viitataan oman avaruutemme kaukana toisistaan oleviin osiin.
Multiversumi-ideasta tarkemmin, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaikenlaisia-selityksia/
Ja nämä eivät voi vetovoimallaan laajentaa omaa kaikkeuttamme?
Avaruuden laajenemisen syynä ei ole se, että kappaleet vetävät toisiaan puoleensa.
luulin että laajentumisen syytä ei vielä tiedetty?
On tiedetty sata vuotta, vuodesta 1922 asti. Siitä, miksi laajeneminen on viime aikoina kiihtynyt, ei tosin ole varmuutta.
voiko universumia laajentavuminen johtua toisten universumien vetovoimalla?
vai onko mahdollista että me itse sattumalta sijaitsemme laajentuvassa kohtaa universumia?
Maailmankaikkeus on kaikki aika ja avaruus, mitä on olemassa. Avaruuden laajenemisesta, ks. http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajaton_kasvu
Eikö maaimankaikkeuden sijaan olisi luontevinta puhua yksinkertaisesti kaikkeudesta?
Miksipä ei.
Taustasäteilyssä on havaittu selkeästi kylmempi alue tai ehkä useampia. On esitetty, että se voisi olla jälki kosketuksesta toiseen universumiin. Voidaanko tällaiset ajatukset tyrmätä?
Kyseinen ”kylmänä täplänä” tunnettu alue ei itse asiassa ole poikkeuksellisen kylmä. Kyseessä saattaa olla pelkkä tilastollinen sattuma.
Mainitsemasi selitys täplälle viittaa ideaan, että kosmisen inflaation aikana olisi syntynyt kuplia, joiden törmäyksestä olisi jäänyt jälki inflaatiota ajavaan kenttään, jonka kosminen mikroaaltotausta sitten perii. Onhan se mahdollista, mutta täplä ei ole tilastollisesti niin harvinainen, että se antaisi paljon tukea tällaiselle tapahtumalle.
Jotenkin kiehtovaa ajatella, että siinä hiukkassopassa alussa oli ns kaikki, siis jos ajattelee ikäänkuin nykyhetkestä taaksepäin. Ajan, liikkeen, lämmön jne lisäksi.
Eikä siinä keitossa ilmeisesti ollut mitään mille ei löytynyt käyttöä.
Hieman aineen muodonmuutoksista tässä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/tuhoutuuko-kaikki/
sen verran vielä pimeästä aiheesta;
koska painovoima ajatellaan usein avaruuden kaareutumisena; onko avaruutta laajentavan pimeän aineen aiheuttama kelmu aika-avaruuteen ”negatiivinen”? pahoittelut kysymystulvasta
Mitä tarkoittaa tässä ”kelmu” ja ”negatiivinen”?
normaali massa esitetään aika-avaruuden kaareutumisena montulle ”alaspäin” – näin ollen pimiä aine kaareuttaa aika-avaruutta ”ylöspäin” satulan tapaan?
Tällaista aika-avaruuden kaarevuutta havainnollistavaa kuvaa ei voi katsoa noin kirjaimellisesti. Aika-avaruuden kaarevuudella on oikeasti 20 eri suuntaa, ei vain yksi.
Mutta tämä vastannee kysymykseesi: pimeän aineen gravitaatio on aivan samanlaista kuin tavallisen aineen. Niiden vaikutus avaruuden laajenemiseen ja kappaleiden välisene näennäiseen vetovoimaan on sama.
anteeksi; tarkoitin pimeää energiaa
Sellainen kysymys, että kun alku-universumi muuttui näkyväksi fotoneille, niin jos kaikkeus ei laajene valonnopeudella, vaan äärellisellä nopeudella, niin jossain vaiheessa fotonit ilmeisesti saavuttavat/ovat saavuttaneet universumin reunan. Mihin ne sen jälkeen etenevät? Neuriinot ilmeisesti saavuttaisivat laajenevan reunan jo aiemmin. Tietysti, jos universumi on rajaton tai ääretön, niin ei olisi mitään reunaa, jonka saavuttaa.
Ei tiedetä onko maailmankaikkeus äärellinen vai ääretön, mutta jos se on äärellinen, se on rajaton. Fotonit kulkevat joka suuntaan.
Avaruuden laajenemista ei mitata nopeuden yksiköissä. Mutta jos laajeneminen hidastuu, niin valo tosiaan saavuttaa ajan kuluessa mielivaltaisen etäisiä pisteitä. Jos laajeneminen kiihtyy, näin ei tapahdu.
Tarkemmin avaruuden laajenemisesta, ks.
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajaton_kasvu
Kun kerta maailmankaikkeudella on alku ja siitä on äärellinen määrä aikaa, niin kuinka maailmankaikkeus voisi olla ääretön?
Miksipä ei? Jos maailmankaikkeus on ääretön, se on ollut koko olemassaolonsa ajan ääretön.
Kyllä, havaittavalla eli meille näkyvällä maailmankaikkeudella on alku josta on äärellinen määrä aikaa, ja havaittava maailmankaikkeus on äärellinen, ja tästä on yksimielisyys.
Kosmisen horisontin takaa meillä ei ole havaintoja. Voidaan ajatella että olisi yksinkertaisinta jos maailmankaikkeus jatkuisi siellä suurena tai peräti äärettömänä, ehkä.
Tietoamme rajoittavat vaikeus nähdä varhaisiin ajanhetkiin (inflaation aiheuttama diluutio ym.) ja kosminen horisontti. Ja jos käytetään kvanttimekaniikan monimaailmatulkintaa, niin myös siihen liittyvä ”kvanttihorisontti”, jonka takana ovat multiversumin ne haarat jotka eivät ole meille makroskooppisesti totta, eli jotka (löysästi sanoen) eivät interferoi konstruktiivisesti meistä katsoen. Eli noin kolme horisonttia.
Selvennykseksi lukijoille, että ”havaittava maailmankaikkeus” tässä tarkoittaa aluetta, josta meille on ehtinyt tulla signaaleja.