Kosmokseen kirjoitettua

Taide ja tähtitaivas

24.10.2021 klo 16.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun keskiviikkona 24.11. kello 16 taideyliopiston Kuvataideakatemian tilaisuudessa Taide ja tähtitaivas otsikolla Kaikkeuden epäinhimillinen kauneus. Puheen esittely on seuraava:

Kun Aurinko vajaan kahdeksan miljardin vuoden kuluttua sammuu, ihmiskunta on kuollut sukupuuttoon kauan sitten. Silti Auringon loppu ja Maapallon tuho herättää surua. Ihmiset ovat tottuneet katsomaan maailmaa inhimillisen linssin kautta, joten epäinhimillisen maailmankaikkeuden tapahtumia verrataan ihmiselämään. Toisaalta ihmisille on kehittynyt tilan ja muotojen hahmottamiseen abstraktin ajattelun välineitä, joita on mahdollista soveltaa maailmankaikkeuden täsmälliseen ymmärtämiseen ja epäinhimillisen kauneuden kokemiseen.

Tilaisuudessa puhuvat myös kulttuurintutkija Maarit Leskelä-Kärki otsikolla Avaruus ja suru, tähtitieteilijä Hannu Karttunen otsikolla Tähtikarttojen taidetta ja taiteilija Elina Saloranta otsikolla Kirje Liisiltä.

---

Rakentava luovuus

21.10.2021 klo 23.46, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin viime kuussa uudesta tiedelukutaidon peruskurssista, jossa kerrotaan muun muassa siitä, millainen rakenne tieteellisillä artikkeleilla on.

Fysiikan artikkeleissa on tyypillisesti ensin johdanto, jossa kerrotaan taustoja, käydään läpi aiempaa tutkimusta ja tiivistetään mitä artikkelissa tehdään. Joskus siinä myös esitetään tiivistelmä tuloksista. Seuraavaksi on varsinainen sisältö, eli teoreettiset laskut tai selitys siitä mitä havaintoja on tehty ja miten. Lopuksi tiivistetään keskeiset tulokset ja kommentoidaan avoimeksi jääneitä kysymyksiä. Ei ole tavatonta, että artikkelista luetaan vain johdanto ja johtopäätökset, kun halutaan saada pikainen käsitys siitä, mistä on kysymys.

Fyysikot oppivat tieteellisten artikkelien kirjoittamisen samalla tavalla kuin muunkin tutkimustyön: ei sääntöjä lukemalla tai metodeja erikseen opettelemalla, vaan tekemällä asioita käytännössä ja seuraamalla muiden esimerkkiä. Niinpä tutkijat eivät ajattele tutkimusartikkelien rakennetta rajoitteena, vaan ovat sisäistäneet sen ilmeiseltä tuntuvana parhaana ratkaisuna. Tällainen yhteisön normien omaksuminen on osa tutkijaksi kehittymistä väitöskirjatyössä.

Fysiikassa on omat, enimmäkseen kirjoittamattomat, sääntönsä siitä, millaista kieltä sopii käyttää. Tyypillisesti suositaan hillittyä ilmaisua, yksinkertaisia virkkeitä ja rajattua sanavarastoa. Eräs kuriositeetti on se, että itseensä viittaamista yksikössä (”sijoitan nyt yhtälön”) pidetään ylimielisenä. Sen sijaan kuninkaallista monikkoa (”sijoitamme nyt yhtälön”) pidetään neutraalina tapana kirjoittaa tekemisistään.

Fysiikan artikkelien avainsisältö ilmaistaan matemaattisesti: sanat sitovat yhtälöitä toisiinsa, selittävät miksi asioita lasketaan, ja tulkitsevat mitä tuloksista pitäisi ajatella. Tämä tarjoaa paljon mahdollisuuksia tyylittelyyn, ja artikkeleita on muodollisia ja vapaita, nokkelia ja eteenpäin voimalla puskevia. Matemaattista ilmaisua on monenlaista, mutta suurin osa fysiikan artikkeleista on matemaatikkojen näkökulmasta toivottoman epämääräisiä, niissä kun tehdään kaikenlaisia yksinkertaistuksia ja oletuksia ilman huolellista perustelua.

Joskus oikopolut tunnetaan tarkasti, joskus niitä ei tulla ajatelleeksi. Kun lukee tutkimuksia vuosikymmenten takaa, jolloin viitekehys oli hieman erilainen, huomaa miten riippuvaista fysiikan artikkeleiden sujuva ymmärtäminen on siitä, että asiat esitetään sopivassa muodossa ja tutulla tavalla.

Toisin kuin tuloksista kirjoittamiselle, tutkimuskohteiden valitsemiselle ei ole selkeitä sääntöjä, eikä ole ohjenuoraa, jonka seuraaminen aina veisi oikeiden vastausten luo. On tavallista, että artikkeleissa esitetään puolivalmiita ajatuksia ja ehdotellaan kaikenlaisia mahdollisuuksia. Yhteinen esitystapa auttaa ymmärtämään ehdotuksia, ja ideoiden arvo riippuu siitä, miten ne on asetettu tunnettuun viitekehykseen.

Suurin osa tutkimuksesta on huolellista matkaamista eteenpäin tunnetuin menetelmin. Joskus kehitetään uusia lähestymistapoja, ja avataan tuntemattomia reittejä, jotka aiempien karttojen tarkka tunteminen tekee mahdolliseksi. Toisinaan tulokset –sitten kun ne on tehty ymmärrettäviksi– tuntuvat ilmeisiltä, niin että ihmettelee, miksi tätä ei löydetty aiemmin, toisinaan taas hämmästelee, miten kukaan on tullut tuota ajatelleeksi.

Tällainen kurinalainen luovuus ei ole ainutlaatuista teoreettiselle fysiikalle. Esimerkiksi jotkut fiktion kirjoittajille tarkoitetut ohjeet ovat minusta olleet hyödyksi, eivät niinkään selvärakenteiselle tieteelliselle kirjoittamiselle, kuin sille miten käyttää tutkimuksen vapautta hedelmällisesti.

Ulos umpikujista

11.10.2021 klo 17.52, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehteen Rihveli 2/2021 artikkelin Ulos umpikujista kvanttifysiikan kehityksestä ja epämääräisestä todellisuudesta. (Artikkeli on vapaasti luettavissa linkin takana.) Kerron muun muassa näin:

Pitkään monet pitivät kvanttimekaniikan taustalla olevan todellisuuden pohtimista tuhoon tuomittuna touhuna. Kuten fyysikoiden fyysikko Richard Feynman totesi vuonna 1964: ”Älä kysy itseltäsi, jos vain voit välttää sitä, ”Miten voi olla näin?”, koska menet hukkaan ja joudut umpikujaan, josta kukaan ei ole paennut. Kukaan ei tiedä miten voi olla näin.”

Onneksi kaikki eivät uskoneet varoituksia, ja kvanttimekaniikan ymmärtämisessä on 1980-luvulta lähtien edistytty paljon.

Taivas ei hohda pimeää

30.9.2021 klo 16.28, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kaikki näkemämme planeetat, tähdet, galaksit ja muut kappaleet koostuvat aineesta, eivät antiaineesta. Kun hiukkanen kohtaa antihiukkasensa, ne annihiloituvat eli muuttuvat toisiksi hiukkasiksi, usein fotoneiksi eli valoksi. Jos jotkut maailmankaikkeuden rakenteet koostuisivat protonien, neutronien ja elektronien sijaan niiden antihiukkasista, niin antiaineen ja tavallisen aineen rajalta näkyisi annihilaatiossa syntyvää korkeaenergistä säteilyä, mitä ei ole havaittu.

Syynä aineen ylivoimaan on se, että kaikki antiaine kului loppuun maailmankaikkeuden ensimmäisen kymmenen sekunnin aikana. Ainetta oli miljardisosan enemmän, ja näkemämme rakenteet koostuvat tuosta pienestä ylijäämästä –kosminen mikroaaltotausta taasen on enimmäkseen tuossa alkuaikojen annihilaatiossa syntynyttä valoa.

Näkymättömän aineen kohdalla tilanne voi olla toinen. Pimeäksi aineeksi on monenlaisia ehdokkaita, mutta pitkään suosituin oli WIMPpien (suomeksi siis nynnyjen) nimellä kulkevat hiukkaset.

Kuten näkyvä aine ja antiaine, varhaisessa maailmankaikkeudessa pimeä aine ja antiaine annihiloituvat. Kun maailmankaikkeus laajenee, aineen tiheys laskee. Jossain vaiheessa tiheys on niin pieni, että pimeän aineen hiukkaset eivät enää löydä toisiaan, ja annihilaatiot loppuvat. Tyypillisille nynnyille tämä tapahtuu noin sekunnin miljardisosan aikoihin.

Pimeän aineen hiukkasia ja antihiukkasia jää jäljelle yhtä monta, toisin kuin näkyvän aineen tapauksessa. Tämä johtuu siitä, että pimeä aine vuorovaikuttaa heikommin kuin näkyvä aine, eikä siksi annihiloidu yhtä tehokkaasti. Pimeää ainetta ei myöskään aluksi ollut enemmän kuin antiainetta. Mitä vahvemmin pimeä aine vuorovaikuttaa, sitä tehokkaammin se annihiloituu, ja sitä vähemmän nynnyjä on jäljellä.

Vaikka aineen keskitiheys laskee maailmankaikkeus laajetessa, joissain paikoissa tiheys kasvaa, koska gravitaatio vetää ainetta kasaan. Noin sadan miljoonan vuoden iässä tiheys kasvaa pienissä osissa avaruutta niin paljon, että näkyvän aineen ydinreaktiot käynnistyvät uudelleen, eli tähdet syttyvät. Vastaavasti klimppiytyminen tehostaa pimeän aineen annihilaatiota.

Annihilaatio tuottaa energiaa paljon tehokkaammin kuin ydinreaktiot, mutta toisaalta pimeä aine ei kasaudu yhtä tehokkaasti kuin näkyvä aine, ja se vuorovaikuttaa paljon heikommin. Niinpä vain pieni osa pimeän aineen hiukkasista ja antihiukkasista annihiloituu, eikä taivas hohda pimeän aineen valoa. (Muuten sitä tuskin sanottaisiinkaan pimeäksi aineeksi.) Pimeää ainetta etsitään siksi monin eri tavoin.

Havaintojen kannalta annihilaatiossa on kuitenkin se hyvä puoli, että kysymyksessä on sama ilmiö, joka määrää paljonko pimeän aineen hiukkasia on jäljellä. Jos tietää pimeän aineen hiukkasten lukumäärän, voi suoraan laskea annihilaation tehokkuuden ja siten kirkkauden taivaalla. Pimeän aineen gravitaatiovaikutuksesta voi puolestaan päätellä sen massatiheyden, eli hiukkasten lukumäärän kerrottuna yhden hiukkasen massalla jaettuna tilavuudella. Ainoa tuntematon tekijä on siis hiukkasen massa. Annihilaation tehokkuuteen vaikuttaa myös se miten paljon pimeä aine on klimppiytynyt – parhaita havaintokohteita ovat Linnunradan keskusta ja kääpiögalaksit, joissa pimeän aineen tiheys on iso.

Taivaalla onkin nähty ehkä odotettua enemmän valoataipositroneja (eli elektronien antihiukkasia). Koska avaruudesta tulee monenlaista säteilyä kaikenlaisista lähteistä, niin voi olla vaikea erottaa, ovatko hiukkaset peräisin pimeän aineen annihilaatiosta vaiko esimerkiksi pulsareista tai supernovien jäänteistä. Mutta jos sen sijaan nähdään vähemmän säteilyä kuin mitä pimeän aineen malli ennustaa, niin se on selvästi väärin

Tarkimmat rajat pimeän aineen annihilaatiolle on antanut vuonna 2008 kiertoradalle noussut Fermi-satelliitti. Se on vuosia mitannut avaruudesta saapuvia korkeaenergisiä fotoneja, ja pystyy sulkemaan pois monenmassaiset nynnyt – vähän riippuen siitä, mihin niiden oletetaan hajoavan. Kansainväliseen avaruusasemaan kiinnitetty hiukkasdetektori AMS-02 on osaltaan sulkenut pois sen mahdollisuuden, että kevyet nynnyt hajoaisivat tunnetuiksi sähköisesti varatuiksi hiukkasiksi, koska signaalia ei ole nähty.

Nynnyt voi pelastaa kehittämällä malleja, joissa pimeä aine hajoaa lähinnä hiukkasiksi, jotka ovat yhtä näkymättämiä kuin se itse (kuten neutriinoiksi tai joiksikin tuntemattomiksi hiukkasiksi). Toinen vaihtoehto on yksinkertaisesti tehdä pimeän aineen hiukkasesta raskaampi. Koska havainnot kiinnittävät massatiheyden, niin mitä isompi hiukkasten massa on, sitä pienempi on niiden lukumäärä, ja sitä vähemmän annihilaatioita tapahtuu.

Kumpikin muutos menee kuitenkin vastakarvaan nynnyjen alkuperäistä ideaa. Tarkoituksena oli, että pimeä aine vuorovaikuttaa hiukkasfysiikan heikon vuorovaikutuksen kautta, joten se hajoaa näkyväksi aineeksi, ja sen massa olisi samaa luokkaa heikkoa vuorovaikutusta välittävien W– ja Z-bosonien massan kanssa. Tällöin pimeän aineen massatiheys sattuisi sopimaan havaintoihin ilman säätämistä.

Yhdistettynä siihen, että myöskään maanpäällisissä kokeissa nynnyjä ei ole näkynyt vaikka olisi odottanut, taivaan pimeys tekee niistä yhä vähemmän houkuttelevia. Idea pimeästä aineesta sinällään voi hyvin, ja nynnyjen hohteen himmentyminen on siirtänyt huomiota muihin ehdokkaisiin, kuten steriileihin neutriinoihin, aksioneihin ja mustiin aukkoihin, joita vuorostaan ajetaan ahtaalle kunnes ne teilataan tai löydetään.

---

Lukutaidon perusteet

25.9.2021 klo 21.50, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Helsingin yliopisto, kehittämiskeskus Opinkirjo ja Kauniaisten kaupunki ovat tuottaneet nettiin avoimen tiedelukutaidon peruskurssin. Tiedotteen mukaan kurssi ”on suunnattu ennen kaikkea lukiolaisille, mutta sopii myös niin tavallisille kansalaisille kuin päättäjillekin”.

Tieteellinen tutkimus on laaja kenttä, joten yritykset kirjoittaa siitä kattavasti ovat helposti joko niin yleisluontoisia, että niistä ei saa paljon irti, tai sitten yksityiskohdiltaan joidenkin alojen kohdalla pielessä. Kurssi tasapainottelee sekä kuvaamalla tieteen yleisiä käytäntöjä että kertomalla yksittäisistä tapauksista, esimerkiksi revontulien tutkimuksesta.

Tämä toimii enimmäkseen hyvin, vaikka osa kuvailusta tuntuu pohjaavan enemmän teoreettisiin ideoihin tieteestä kuin siihen, miten tiedettä oikeasti tehdään. Esimerkiksi tieteellisestä kirjoittamisesta kerrotaan seuraavaa:

”Tutkimusraportin rakennetta on perinteisesti kuvattu neljällä kirjaimella: IMRD. Lyhenne tulee sanoista Introduction (johdanto), Methods (menetelmät), Results (tulokset), Discussion (pohdinta). Malli sopii parhaiten kuvaamaan kliinistä ja määrällistä tutkimusta, joka on tyypillistä esimerkiksi luonnontieteissä.”

Mielestäni tällainen menetelmiä korostava rakenne on päin vastoin leimallinen ihmis- ja yhteiskuntatieteille. Fysiikan artikkeleissa johdannon jälkeen tyypillisesti vain kerrotaan mitä on tehty, eikä metodeilla ylipäänsä ole samanlaista erityistä roolia kuin ihmistieteissä. Matematiikan artikkeleissa taasen ei yleensä ole sen enempää selityksiä metodeista kuin lopun pohdintaakaan.

Se, että tällaiset tekstit tuntuvat tutkijalle vieraalta johtunee osittain siitä, että niissä kuvaillaan tieteilijän työtä ulkoapäin, kun taas tutkijana sitä katsoo sisältäpäin ja vain pienestä osasta tutkimuksen kenttää. Tätä paikataan kurssilla tutkijoiden omilla teksteillä sekä haastatteluilla. Minulta on mukana kommentteja tutkijalle hyödyllisistä taidoista. Tämä huomio tuntuu tarpeelliselta muillekin:

”Tarvitaan myös sen sietämistä, että aloittaessaan tutkimusta ei tiedä, mihin päätyy ja kuinka kauan kestää saavuttaa tuloksia.”

Viime viikolla avaruusfyysikko Minna Palmroth puhui siitä, miten hän oli löytänyt ja selittänyt revontulidyynejä yhdessä ”kansalaistieteilijöiden” kanssa. (Sana ”kansalaistieteilijä” tarkoittaa henkilöä, joka ei ole tieteilijä, mutta osallistuu tieteen tekemiseen.) Palmroth kertoi, miten taivasta tarkkaan kuvaavien ei-tieteilijöiden havaintoverkosto oli oleellinen tutkimuksen tekemisessä, mutta sen koordinoiminen oli raastavaa, koska tutkimukseen tottumattomilla osallistujilla oli epärealistisia odotuksia. He olivat kovin innoissaan kun jotain löytyi, turhan kärsimättömiä kun tuloksia ei tullutkaan heti lisää, ja aivan lannistuneita kun jokin idea ei osoittautunutkaan oikeaksi.

Tieteen tenhoon mukaan hyppäävien ihmisten kohdalla tällaista vuoristorataa sopii odottaakin. Haitallisempaa on se, että tiedepoliittisia päätöksiä muokkaavilla virkailijoilla ja tieteestä käytävää keskustelua määrittävillä toimittajilla on vakavia puutteita tieteen ymmärtämisessä.

On tullut tavaksi verhota tietämättömyys tieteestä ja vihamielisyys tutkimuksen vapautta kohtaan vaatimuksiin ”vaikuttavuudesta”. Opetus- ja kulttuuriministeriön korkeakoulu- ja tiedepolitiikan osaston päällikkö Atte Jääskeläinen on esimerkiksi esittänyt, että tutkimuksen rahoitusta lisätään vasta sitten, kun tutkijoiden työ tehostuu ja he osoittavat sillä olevan ”vaikuttavuutta”. Käsite on epämääräinen, ja Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta on käsittänyt asian niin, että ”vaikuttavuutta” lisätään kehottamalla tutkijat käyttämään aikaansa ilmaisen työn tekemiseen kaupalliselle lehdelle.

Koska tieteessä kartoitetaan uusia alueita, on monesti mahdotonta arvioida, mihin tutkimus johtaa ja mitä siitä seuraa. Vaatimukset tieteen arvon osoittamisesta ovat sikäli hämmentäviä, että tiede on ihmiskunnan kehitystä viime vuosisatojen aikana eniten muuttanut tekijä, ja sen vaikutus on mittaamaton. Miten todistaa, että Aurinko on kirkas? Esimerkiksi kvanttimekaniikan löytäminen kumpusi ongelmista, jotka olivat aikanaan hyödyttömiä (eli ”akateemisia”), mutta siitä on muodostunut lähes kaiken nykyteknologian pohja. Lisäksi on syytä korostaa, että monilla tutkimustuloksilla on itseisarvoa, ei vain välinearvoa.

Valitettavasti edellä mainitun korkea-arvoisen OKM:n virkailijan lisäksi tietämättömyys tieteestä vaivaa joitakin tiedettä kommentoivia suomalaisia toimittajia. Toimittajat ovat ottaneet tavaksi arvostella yksittäisiä tutkimushankkeita, rahoituspäätöksiä tai jopa kokonaisia tutkimusaloja virheellisten tietojen, keksittyjen väitteiden tai vaikkapa vain hankkeen nimen perusteella.

Kohteet on usein valittu poliittisin perustein ihmistieteiden puolelta, ja hyökkäykset tiedettä kohtaan esitetään tieteen puolustamisena: eikö olisi parempi rahoittaa hyödyllistä tutkimusta hyödyttömän sijaan? Väitteissä ei kuitenkaan ole kyse niinkään yksittäisten kohteiden arvostelusta kuin tieteen autonomian ja vertaisarvioinnin kyseenalaistamisesta. Tämä on osa poliittista virtausta, joka pyrkii lyhytnäköisesti valjastamaan tieteen yritysten palvelijaksi ja alistamaan tieteellisen yhteisön tiukemmin vallanpitäjien ohjaukseen.

Tiederahoituksessa on tietysti arvostelemista, kuten olen sekä hakijan että arvioijan näkökulmasta kirjoittanut. On myös totta, että koko ajan tehdään myös huonoa tutkimusta, ja monilla tieteenaloilla on vääristymiä ja ongelmia. (Hiukkaskosmologia ei ole poikkeus.) Mutta mielekäs keskustelu niistä edellyttää kyseisten tieteenalojen tuntemista. Esimerkiksi kosmologian tutkimushankkeiden rahoituspäätösten mielekäs arviointi vaatii vuosien perehtymistä. Päätökset tutkimuksen rahoittamisesta ja julkaisemisesta sekä tutkijoiden palkkaamisesta (tai suositukset päätöksille) tekevät toiset tutkijat siksi, että vain heillä on siihen tarvittava asiantuntemus.

Kun toimittaja toteaa, että se tosiseikka, että rahoituspäätösten perusteita ei voi ymmärtää ilman mittavaa perehtymistä ei ole este sille, että asiaan perehtymätön ihminen arvioi niitä, on kyseessä kiinnostava esimerkki tieteellisen lukutaidon puutteesta.

Osittain toimittajien ongelma voi liittyä journalismin ja tieteen eroihin. Toimittajien kulttuurissa on tavallista julkaista vakavia, perättömiä ja virheellisiä väitteitä –tieteestä tai muista aiheista– ilman että se vaikuttaa kirjoittajan asemaan negatiivisesti. Lisäksi muita toimittajia pidetään oman sisäryhmän jäseninä, joiden julkista arvostelua vältetään.

Tältä pohjalta voi olla vaikea ymmärtää, että tiedeyhteisö hakeutuu kohti totuutta keskinäisen kritiikin ja vertaisarvioinnin kautta. Jos tieteilijä jää kiinni perättömien väitteiden julkaisemisesta, hän menettää uskottavuutensa tiedeyhteisössä. Lisäksi toisten tutkijoiden arvosteleminen ja heidän arvostelunsa kohteena oleminen on keskeinen osa tutkijan työtä. Arvostelu ei ole hajottavaa ”kivien heittämistä” (kuten toimittajat saattavat toistensa julkista arvostelemista soimata), vaan rakentava osa virheiden korjaamista, koska se perustuu asioiden tuntemiseen ja faktojen korjaamiseen.

Vaikka osa tiedevastaisuudesta on poliittisesti tarkoitushakuista, mukana on myös aitoa ajattelemattomuutta ja vilpitöntä tietämättömyyttä, mihin kurssi tiedelukutaidon perusteista voi auttaa.

Muisto läheisestä yhteydestä

31.8.2021 klo 19.38, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kosminen mikroaaltotausta on vanhinta valoa. Se irtosi aineesta, kun maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden ikäinen. Sitä ennen lämpötila oli niin korkea, että atomit eivät pysyneet kasassa, vaan aine koostui irrallisista ytimistä ja elektroneista. Valo poukkoili jatkuvasti niiden sähkövarauksista, eikä päässyt liikkumaan vapaasti. Maailmankaikkeus oli tämän takia läpinäkymätön, kuten Aurinko nyt.

Kun katsoo Aurinkoa, näkee millainen se oli kahdeksan minuuttia sitten, kun silmiimme saapuva valo irtosi sen pinnalta. Kun katsoo kosmista mikroaaltotaustaa, näkee millainen maailmankaikkeus oli 14 miljardia vuotta sitten, kun havaintolaitteeseemme saapuva valo irtosi aineesta.

Vaikka emme näe Auringon sisään, sen pinnalta tulevasta valosta voi tehdä johtopäätöksiä siitä mitä sisustassa tapahtuu. Samoin kosmisesta mikroaaltotaustasta voi lukea jotain siitä, mitä tapahtui ennen sen irtoamista aineesta.

Mikroaaltotaustasta näytetään useimmiten kuva, missä on sen kirkkaus eri puolilla taivasta.

Tällaiset kuvat on koostettu muutamalla aallonpituudella tehdyistä mittauksista. Mikroaaltotaustaa voi myös mitata toisin päin: monella eri aallonpituudella, mutta välittämättä siitä mistä suunnasta valo tulee. Sitä, paljonko valoa on kullakin aallonpituudella kutsutaan spektriksi.

Kun COBE-satelliitin käänteentekevät tulokset mikroaaltotaustasta julkistettiin vuonna 1992, paljon huomiota kiinnitettiin juuri spektriin, jonka mittaus palkittiin vuonna 2006 puolikkaalla Nobelilla. Valon aallonpituus määräytyy suoraan sen energiasta, ja havaittu spektri noudattaa ennustettua lämpötasapainon energiajakaumaa mittauksen tarkkuudella, joka on yksi kymmenestuhannesosa.

Tämä oli merkittävä todiste sen puolesta, että maailmankaikkeus oli varhain kuuma ja tiheä. On nimittäin vaikea selittää miten mikään tähdissä, molekyylipilvissä tai missään muualla nykymaailmankaikkeudessa syntynyt valo olisi tarkkaan samassa lämpötilassa kaikkialla alun perin, ja koska valo vuorovaikuttaa itsensä kanssa vain heikosti, irrallaan kulkeva valo ei kulje kohti lämpötasapainoa. Mutta vanha valo kantaa yhä muistoa ajasta, jolloin se oli läheisesti yhteydessä aineeseen.

Sittemmin tärkeämmäksi on noussut COBEn mittaus mikroaaltotaustan jakaumasta taivaalla. Tämä ensimmäinen havainto kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksista palkittiin toisella puolikkaalla Nobelista vuonna 2006, ja on usein mainittu ”täsmäkosmologian” alkuna. Epätasaisuuksista on tullut kosmologian keskeinen havaintokohde, jonka avulla on onnistuneesti luodattu niin pimeää ainetta kuin muinaisten aikojen inflaatiota.

Mutta myös mikroaaltotaustan aallonpituusjakauma kertoo menneestä. Niin kauan kuin hiukkaset ovat tiukasti kytköksissä toisiinsa, ne siirtyvät takaisin kohti lämpötasapainoa jos niitä häiritään. Palautuminen kestää kuitenkin aikansa, ja valon irrottua aineesta se ei enää juuri vuorovaikuta, ja säilyttää silloisen tilansa. Niinpä mikroaaltotaustan spektriin kirjattu historiaa ajalta hieman ennen valon ja aineen irtoamista.

Jos kosmista keittoa häiritsee ennen kuin maailmankaikkeus on noin vuoden ikäinen, niin se ehtii palautua tasapainoon ennen valon irtoamista 380 000 vuoden iässä. Vuoden ja 380 000 vuoden välillä tapahtuneet jäljet eivät sen sijaan ehdi kadota ennen fossiloitumistaan mikroaaltotaustaan.

Yksi esimerkki mahdollisesta häiriötekijästä on hiukkasten hajoaminen. Jos on olemassa tuntemattomia hiukkasia, joiden elinikä on jotain kuukauden ja miljoonan vuoden väliltä, niiden hajoaminen jättäisi jälkensä mikroaaltotaustaan. COBEn mittausten perusteella tällaisten hiukkasten osuus maailmankaikkeuden energiatiheydestä pitää olla alle kymmenestuhannesosa, koska mitään merkkejä niistä ei ole nähty. Havainnot rajoittavat yhtä lailla myös sitä, paljonko kevyitä mustia aukkoja voi olla olemassa, jotta niiden Hawkingin säteilyn vaikutus ei näkyisi spektrissä.

Tällaisten spekulaatioiden lisäksi on yksi asia, jonka varmasti tiedämme hämmentävän muinaista puuroa: mikroaaltotaustassa näkyvät aineen epätasaisuudet. Gravitaation takia sopan sattumat tihentyvät entisestään, kunnes mukana kasautuvan valon paine työntää tiheän alueen takaisin, minkä jälkeen se taas tihentyy. Tämä aaltoilu työntää keittoa pois lämpötasapainosta siirtämällä energiaa fotonien välillä. Spektriin jää näin jälki keiton lyhyistä aalloista, jotka ovat jo ehtineet vaimeta mikroaaltotaustan irrotessa aineesta ja joita ei siksi siinä suoraan nähdä.

Koska epätasaisuudet ovat hyvin pieniä, sadastuhannesosan suuruisia, COBEn tarkkuus ei riittänyt havaitsemaan niistä johtuvia häiriöitä. Mikroaaltotaustan spektriä ei ole mitattu COBEn jälkeen, ja teknologia on kehittynyt valtavasti kolmen vuosikymmenen aikana, joten nykyisillä laitteilla nämä epätasaisuuksien jäljet näkyisivät. Tähän kaavailtiin 2010-luvulla PIXIE-satelliittia, jota ei kuitenkaan rahoitettu, mutta yhä valmistellaan paluuta spektrin mittaamiseen, jotta näkisimme muinaisten aikojen aineeseen pintaa syvemmälle.

---

Kuratoitu läpileikkaus

9.8.2021 klo 21.53, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla oli merkittävä vuotuinen kosmologiakonferenssi COSMO. Tällä kertaa se järjestettiin Yhdysvaltojen Illinois’n yliopistossa ja pidettiin etänä. COSMO-konferenssien sarja alkoi vuonna 1997, tavoitteena tuoda hiukkasfyysikkoja ja kosmologeja lähemmäs. Nykyään kentät lomittuvat niin sujuvasti, että nuorempi sukupolvi ei edes tiedä, että niiden välillä oli aiemmin paljon epäilyä ja väärinkäsityksiä.

COSMO-konferenssien johtokunnan jäsen Leszek Roszkowski mainitsi hiukkasfysiikasta Nobelin saaneen Martinus Veltmanin ykskantaan todenneen, että kosmologia ei ole tiedettä. Mielipide meni Veltmanin mukana tammikuussa hautaan, ja nykyään kukaan fyysikko tuskin esittää tällaisia kommentteja. Hiukkasfyysikoiden mielenmuutosta on edesauttanut se, että kosmologiassa on tehty läpimurtoja havaintojen saralla, merkittävimpänä vuonna 1998 julkistetut (ja 2011 Nobelilla palkitut) maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisesta kertovat supernovahavainnot.

Tämän vuoden COSMOssa näkyi, miten havaintovetoista kosmologia on, ja miten paljon teknologia ja data-analyysi ovat kehittyneet. Kun vuonna 2000 aloitin tutkimuksen tekemisen, muotiterminä oli ”täsmäkosmologia”. Tässä COSMOssa ei sanaa juuri kuultu, koska havaintojen ja analyysin täsmällisyys on ilmeistä ja tunnustettua.

Kosmologiakonferensseissa ei julkisteta uusia tuloksia eikä artikkeleita, jotka ovat kaikki luettavissa nettiarkistosta arXiv, mutta ne tarjoavat kuratoidun läpileikkauksen alan tilanteeseen ja ponnistuslaudan ajattelulle. Ohjelma koostuu kutsutuista puheista, jotka ovat enimmäkseen katsauksia johonkin osa-alueeseen, ja osallistujien omasta työstään tarjoamista lyhyemmistä esityksistä. Vuosien varrella naisten osuus on kasvanut merkittävästi: tämän vuoden 24 kutsutusta puhujasta 15 oli (nimen ja ulkonäön perusteella oletetusti) naisia.

Gravitaatioaalloilla oli ansaitusti iso rooli. Uusien havaintojen (ja Nobelin) edesauttamana alan tutkimus on laajentunut nopeasti. Kun kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien ensimmäiset mittaukset julkistettiin vuonna 1992, data-analyysin ja havaintojen ohella kehitettiin rivakasti erilaisia tapoja hyödyntää dataa ja lukea siitä kaikenlaista. Gravitaatioaallot ovat nyt samalla tavalla uusi väline, jolla voi luodata tähtien kehitystä, raskaiden alkuaineiden muodostumista, neutronitähtien rakennetta, värivuorovaikutusta, mustien aukkojen muodostumista, maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta, yleistä suhteellisuusteoriaa, Higgsin kentän olomuodon muutosta ja niin edelleen. Kuten LIGO-koeryhmän Daniel Holz asian ilmaisi, tutkijat ovat odottaneet gravitaatioaaltojen datatulvaa, ja nyt se on alkanut.

Teoreetikot vaihtavat kentältä toiselle onnistumisten vetämänä ja epäonnistumisten hylkimänä. Monet vaikkapa gravitaatioaaltoihin tai Higgsin kenttään liittyvistä viime vuosien uusista ideoista olisi voitu keksiä vuosia sitten, mutta niitä ei tullut ajatelleeksi kuin havaintojen ja uuden keskustelun myötä. Teknologia ajaa havaintoja, mikä ruokkii teoriaa, mikä osoittaa miten analysoida ja tehdä havaintoja.

Teknologian kehitys näkyy myös teoriapuolella esimerkiksi siinä, että yhä enemmän tehdään raskaita yleisen suhteellisuusteorian kaikki yksityiskohdat huomioon ottavia numeerisia laskuja ei vain mustien aukkojen törmäyksistä, vaan myös kosmisesta inflaatiosta ja sen loppumisesta.

COSMOssa näkyi se, miten teoreetikot ovat siirtyneet enemmän lähellä havaintoja oleviin rajattuihin malleihin suureellisten rakennelmien sijaan. Säieteoria oli kuitenkin vielä vahvasti ainakin hengessä mukana. Tähän saattaa vaikuttaa se, että teoreettinen tutkimus on Yhdysvalloissa enemmän sidottua siihen, sen muotivirtauksiin ja persoonallisuuksiin kuin Euroopassa tai Aasiassa.

Gravitaatioaaltohavaintojen inspiroimana mahdollisten muinaisten mustien aukkojen tutkimus on paisunut. Pimeän aineen tutkimusta on päinvastoin ajanut havaintojen puute: koska aiemmin suosituinta ehdokasta pimeäksi aineeksi, nynnyä, ei ole löytynyt, tutkitaan yhä enemmän kaikenlaisia mahdollisuuksia.

Yksi esille nostettu idea on makroskooppinen pimeä aine, eli pimeä aine, joka koostuu isoista kasoista yhteen sitoutuneita hiukkasia, tavallisen aineen tapaan. Tällaisia kasoja pitäisi etsiä aivan eri tavalla kuin yksittäisiä hiukkasia, esimerkiksi katsomalla iskeytyykö tähtiin asteroidin massaisia mutta paljon nopeampia möykkyjä.

On aina havaintoja, jotka ovat ristiriidassa teorian kanssa, ja voi kestää kauan, ennen kuin saadaan selville, onko ongelma havainnoissa, teoriassa vai jossain oletuksissa. Yksi tällainen ongelma on se, miksi maailmankaikkeudessa näyttää olevan vain noin neljännes siitä määrästä litium-7:aa (eli ytimiä, joissa on kolme protonia ja neljä neutronia) mikä ennustetaan syntyvän maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien aikana. Poikkeama on tilastollisesti erittäin merkittävä. Nyt on viimein paikallistettu uskottava mahdollinen selitys. Litiumin määrä on arvioitu vanhojen tähtien pinnalta, ja uusien havaintojen nojalla niissä on tapahtunut odotettua enemmän kehitystä, missä pinta on voinut sekoittua alempien kerrosten kanssa, johtaen litiumin tuhoon.

Kosmologian puhutuin ristiriita tällä hetkellä on se, että eri havainnot näyttävät antavat eri arvon maailmankaikkeuden laajenemisnopeudelle. Vastakkain ovat asettuneet erityisesti kosminen mikroaaltotausta ja kosmisen naapuruston supernovat. Kosmisen mikroaaltotaustan fysiikka tunnetaan erinomaisesti ja mittaukset ovat tarkkoja, mutta laajenemisnopeuden lukeminen siitä vaatii oletuksia pimeästä energiasta. Etäisyyksien mittaaminen supernovalla kärsii epävarmuuksista tähtien ja muiden järjestelmien mallintamisessa, mutta ei juuri riipu siitä, millaista pimeä energia on (tai onko sitä).

Havaintoryhmä Dark Energy Surveyn uudet havainnot galaksien jakaumasta ja gravitaatiolinssivääristymistä tukevat kosmisen mikroaaltotaustan tuloksia. Supernovapuolella on avautunut sisäinen ristiriita eri etäisyysmääritysten välillä: yksi tapa sopii yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, toinen ei ja kolmas on liian epätarkka, että voisi vielä sanoa. Kovasta syynäämisestä huolimatta kummastakaan tarkassa supernovamenetelmässä ei ole löydetty virhettä. Mutta nyt tiedetään paremmin mistä katsoa, ja voi olla että huolellisen analyysin jälkeen osoittautuu että ongelmana on supernovien ympäristön tai tähtien mallintaminen, tai jokin muu kosmologian kannalta arkinen lähipiirin touhu.

COSMOn sävy oli innostunut ja eteenpäin ravaava. On uusia tarkkoja havaintoja, tulevia innostavia projekteja ja hauskoja teoreettisia ideoita. On silti syytä muista, että vaikka havainnot voivat tarjota vastauksen isoihin kysymyksiin –pimeän aineen luonne, kiihtyvän laajenemisen syy, inflaation yksityiskohdat, aineen ja antiaineen epäsuhdan synty– ja paljastaa jotain yllättävää, siitä ei ole mitään taetta. Kosmologian tulevaisuus on havaintojen arpapeliä.

---

Hienosta karkeaan

29.6.2021 klo 18.41, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Joskus törmää käsitykseen, että fysiikka on täsmällistä kuten matematiikka; jotkut puhuvat ”eksakteista tieteistä”. On kuitenkin erilaisia täsmällisyyden asteita, ja fyysikot ja matemaatikot suhtautuvat täsmällisyyteen eri tavoin.

Tutkimuksessaan Beamtimes and Lifetimes antropologi Sharon Traweek mainitsee, että teoreettiset hiukkasfyysikot arvostelevat kollegoitaan siitä, että nämä ovat liian matemaattisia. Pitääkin paikkansa, että teoreetikot yleensä pitävät sellaista matematiikkaa, joka on kehittyneempää kuin mitä he itse käyttävät joko tarpeettomana hienosteluna tai fysiikalle lähtökohtaisesti merkityksettömänä. Vastaavasti matematiikkaa, joka on vähemmän kehittynyttä kuin omassa käytössä oleva pidetään liian alkeellisena. Yksi hiukkasfysiikan puolelta tullut kosmologikollega kerran kutsui astrofyysikkojen käyttämää matematiikkaa kivikautiseksi. Vähemmän kehittyneiden matemaattisten menetelmien voidaan myös katsoa kertovan siitä, että niiden käyttäjä ei ole kovin terävä.

Tällä on pitkät perinteet: vielä suppean suhteellisuusteorian löytämisen aikoihin Albert Einstein piti kehittynyttä matematiikkaa tarpeettomana ja ajatteli, että fysikaalinen intuitio riittää. Tämä olikin kenties syynä siihen, että keskeisen oivalluksen siitä, että teoriassa ei ole kyse vain suhteellisesta ajasta ja avaruudesta, vaan absoluuttisesta aika-avaruudesta, teki Hermann Minkowski eikä Einstein. Yleisen suhteellisuusteorian kohdalla tämä lähestymistapa ei enää riittänyt, teoria vaati perehtymistä fysiikalle ennennäkemättömään avaruuksien hienosyiseen matematiikkaan, jonka matemaatikot olivat 1800-luvulla löytäneet.

Matemaattinen fyysikko Peter Goddard on maininnut vuodelta 1971 yhden kuvaavan esimerkin tuon ajan hiukkasfyysikoiden asenteesta (50 vuodessa on tapahtunut muutosta). Luennoitsija teki taitavasti monimutkaisia laskuja ja kääntyi yleisöön sanoen: ”Minulle on kerrottu, että tämän kaiken voi tehdä helpommin, jos käyttää ryhmäteoriaa. Mutta minä sanon teille, että jos olet vahva, niin et tarvitse ryhmäteoriaa.”

Traweek toteaa, että matemaatikot (kuten myös taiteilijat) ovat kuitenkin hiukkasfyysikoiden normaalin arvojärjestyksen ulkopuolella. (Sen huipulla on luonnollisesti hiukkasfysiikka, vaikka usko omaan erinomaisuuteen onkin Traweekin kartoittamasta 1970-80-luvusta horjunut, koska suosituista teorioista ei ole löytynyt hiukkaskiihdyttimissä merkkiäkään.) Matemaatikoiden täsmällisyyttä ja matemaattisten rakenteiden tuntemusta kunnioitetaan, vaikka siihen voidaan samalla suhtautua huvittuneesti, koska joitakin matemaatikkojen tutkimia asioita pidetään ilmeisinä tai yhdentekevinä. Tämä saattaa liittyä osittain siihen, että fyysikot eivät täysin hahmota, mitä matemaatikot oikein tekevät.

Minullakin oli aikoinaan sellainen hämärä käsitys, että matemaatikkojen suhde matematiikkaan on samanlainen kuin fyysikoilla, vain huolellisempi. Matematiikassa on kuitenkin tutkimusaiheena matematiikka, eli (fyysikon karkeasti sanomana) mahdolliset loogiset suhteet asioiden välillä. Fysiikassa taas matematiikka on työkalu luonnon ymmärtämiseen. Liiallista mielenkiintoa työkaluun työstettävän asian sijaan pidetään turhanaikaisena. Fysiikassa on täsmällisyyden asteita: teorioiden soveltamisessa matematiikkaa saatetaan kohdella reseptikirjana, vailla mielenkiintoa siihen miksi asiat pitävät paikkansa, toisaalta teorioiden muotoilussa voidaan mennä syvälle matemaattiseen rakenteeseen.

Täsmällisemmästä päästä ovat fyysikoiden ja matemaatikoiden rajalla olevat niin kutsutut matemaattiset fyysikot. Fyysikot pitävätkin heitä matemaatikkoina – en ole varma, mitä mieltä matemaatikot ovat. Matemaattiset fyysikot tutkivat matemaattisia rakenteita, joita pidetään fysiikalle oleellisina. Fyysikot eivät tosin aina ole niiden oleellisuudesta samaa mieltä. Olen kuullut erottelun, jonka mukaan fyysikot etsivät menetelmiä ongelmiensa ratkaisemiseen, kun taas matemaattiset fyysikot etsivät ongelmia, joihin käyttää menetelmiään. (Puhuja ei ollut matemaattinen fyysikko.)

Fields-mitalilla palkittu matemaatikko Alain Connes on todennut, että (kenties matemaattisten) fyysikoiden ”jokseenkin vapaa” suhtautuminen matematiikkaan on ”omaperäinen ja tuottoisa”, ja sillä on ollut hyvin positiivinen vaikutus. Hän viittasi erityisesti säieteorian yhteydessä ja liepeillä tehtyyn tutkimukseen, missä fyysikot ovat löytäneet uusia matemaattisia rakenteita ja yhteyksiä, joita matemaatikot ovat sitten tarkemmin ymmärtäneet. Säieteoria lieneekin toistaiseksi antanut matematiikalle enemmän kuin fysiikalle.

Koska fyysikot ovat vähemmän täsmällisiä ja käyttävät rouheampaan ajatteluun soveltuvia työkaluja, he pystyvät etenemään matemaatikkoja nopeammin. Kolikon toinen puoli on se, että toisin kuin matemaatikoilla, fyysikoilla on usein epämääräinen kuva siitä, mitä tarkalleen on todistettu ja mitä ei, ja mitä oletuksia jokin tulos edellyttää: lyhyesti sanottuna, mikä on totta. Fysiikassa onkin niin kutsuttuja folkloreteoreemoja, kansanperinnelauseita, joissa on epäselvää mistä tuloksessa on tarkalleen kyse, mitä oletuksia oikein tehdään, ja joita kukaan ei ole ehkä koskaan osoittanut todeksi. Usein ne pitävät tarpeeksi hyvin paikkansa, joskus kompastuu niiden puutteisiin – ja toisinaan tapahtuu edistystä, kun vedenpitäväksi luullusta asiasta paljastuukin rako, josta avautuu uusi näkymä.

Sankarien riisumista

22.6.2021 klo 20.23, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Tammikuisessa monimuotoisuuteen ja naisten asemaan fysiikassa keskittyvän NORNDiP-verkoston konferenssissa suositeltiin antropologi Sharon Traweekin teosta Beamtimes and Lifetimes: The World of High Energy Physics. Sain kirjan nyt luettua, ja se onkin mielenkiintoinen katsaus fyysikoihin.

Traweek tutki kokeellisten hiukkasfyysikkojen yhteisöä Yhdysvalloissa ja Japanissa 1970- ja 80-luvulla. Osa kirjan huomioista on vanhentuneita, mutta siinä on myös paljon oivalluksia, jotka pätevät yhä ja myös teoreetikoihin. Noihin aikoihin toisen maailmansodan jälkimainingeissa työnsä aloittanut fyysikoiden sukupolvi oli siirtymässä pois johtoasemista. Tämä fyysikoiden joukko suurelta osin määritti nykyisenkin kokeellisen toimintatavan ja kulttuurin.

Osallistuminen Yhdysvaltojen armeijan projekteihin sodan aikana oli opettanut fyysikoita hallinnoimaan suuria projekteja, viestimään päättäjien kanssa ja haalimaan rahoitusta. Toisaalta fysiikka oli osoittanut sodassa käyttökelpoisuutensa, mikä sai poliitikot alttiiksi rahoittamaan sitä avokätisesti. Kuten Traweek kuivasti huomauttaa, hiukkasfyysikot pitävät kuitenkin kohtuuttomana sitä, että suuri yleisö yhdistää heitä mitenkään yhdistetään aseteknologiaan, ja sodan jälkeen tehtiinkin rajanveto rauhanomaisen ja sotilaallisen tutkimuksen välillä.

Traweek kirjoittaa siitä sitä, miten tärkeää antropologille on sekä pitää ulkopuolinen näkökulma tutkimaansa yhteisöön että ymmärtää se sisältäpäin. Tämän ulkopuolisuuden saamiseksi hän muuttikin Yhdysvalloista Japaniin tutkimaan hiukkasfyysikoita myös siellä, erityisesti KEK-laboratoriossa. Vaikka Traweek yleistää turhan helposti japanilaisesta kulttuurista, hänen vertailussaan Yhdysvaltoihin on kiinnostavia havaintoja.

Traweek toteaa, että yksi keskeinen syy yhdysvaltalaisten laboratorioiden (erityisesti SLACin) japanilaisia parempaan menestykseen oli se, että Japanissa hallitus seurasi tarkkaan tutkimusprojektien rahankäytön yksityiskohtia, ja laitteita rakennettiin yritysten tukemisen ehdoilla. Yhdysvalloissa projekteilla oli enemmän vapautta käyttää rahaa ja enemmän valtaa rakentaa laitteet itse, ja ne tekivät yhteistyötä yritysten kanssa omista lähtökohdistaan.

Toisaalta vallan keskittyminen johtajalle ja sanomaton mutta tiukka hierarkia Yhdysvalloissa kummastutti japanilaisia tutkijoita. Traweekin mukaan Japanissa koko henkilöstö puhui laboratoriota koskevista kysymyksistä, ja johto teki päätöksensä keskusteltuaan asiasta laajasti. Yhdysvalloissa tärkeistä asioista eivät usein edes tienneet muut kuin johtoporras. Hän vertaa japanilaista yhteisöä perheeseen ja yhdysvaltalaista urheilutiimiin. Traweekin mukaan monet yhdysvaltalaiset tutkijat eivät edes tulleet ajatelleeksi, että yhteistyötä ja yhteistä päätöksentekoa korostava järjestely voisi tuottaa paremman tuloksen kuin keskinäinen kilpailu ja vahva johtaja.

Tähän liittyy uskomus siitä, että fysiikan yhteisössä korkein status on osoitus parhaista taidoista, ja palkkiot (kuten rahoitus ja kokeissa käyttöön annettu aika) jakautuvat aina ansioiden mukaan. Kuten Traweek kartoittaa, samaan aikaan fyysikot ovat usein sitä mieltä, että tietyt korkeassa asemassa olevat henkilöt (tyypillisesti kilpailevista ryhmistä) tekevät aivan onnettoman huonoa työtä. Tällaiset ristiriitaiset käsitykset ovat vieläkin osa hiukkasfysiikan yhteisöä.

Traweek setvii hyvin sitä, miten hatara käsitys fyysikoilla on alansa historiasta. Fyysikoita kiinnostaa menneisyydessä vain heidän suorat edeltäjänsä; vääriksi osoittautuneet ideat ja virheelliset kokeet eivät kuulu kertomukseen. Traweek ei juuri liioittele kirjoittaessaan, että ”heidän fysiikan historiansa on lyhyt hagiografia ja lista ihmeitä”. Tämä kuva rakentuu oppikirjoista alkaen, minkä yksi syy on se, että niiden tarkoituksena on opettaa tekemään fysiikan tutkimusta, ei kirjoittamaan fysiikan historiaa. Oppikirjat myös koulivat fyysikkojen yhteisöön ja opettavat millainen on hyvä fyysikko.

Traweekin kaikki analyysi ei vakuuta. Hän esimerkiksi kirjoittaa, että fysiikan kursseilla opetetaan vain ratkaisemaan tiettyjä ongelmia ja tunnistamaan miten uudet ongelmat ovat samanlaisia: siellä ei opeteta ” induktiota eikä deduktiota vaan analogista ajattelua”. Tämä analyysi vaikuttaa vieraalta, enkä oikein ymmärrä mitä hän tarkoittaa. Asiaan voi vaikuttaa se, että Traweekilla ei ole luonnontieteellistä koulutusta ja hän vaikuttaa perustavan johtopäätöksensä paljolti oppikirjoihin. Fysiikan oppikirjoja lukemalla niitä on varmasti vaikea ymmärtää, millaista on opiskelu, joka keskittyy ihmistieteitä enemmän tekemiseen eikä lukemiseen. Fysiikassa ei esimerkiksi opiskella erikseen fysiikan metodeja, vaan asioita opitaan käytännössä vähän kuin käsityössä sen mukaan mitä tarvitaan. Tämä suhde metodeiksi kutsuttuihin asioihin on erilainen kuin ihmistieteissä, ja niiden pääasiallinen oikeutus on se, että ne toimivat, mistä kokeet ja matematiikka antavat puolueettoman tuomion.

Traweekin mukaan antropologille on tärkeää olla ottamatta kantaa tutkimansa yhteisön uskomusten todenperäisyyteen, mikä on käsittääkseni tavallinen näkemys. Tämä tuntuu oudolta, koska uskomusten suhde todelliseen havaittuun maailmaan kertoo myös niiden syistä ja auttaa niiden ymmärtämistä. Uskomus siitä, että Aurinko nousee aamulla juontuu eri syistä kuin uskomus siitä, että Kristus nousee kuolleista.

Antropologinen näkökulma tuottaa kuitenkin valaisevia havaintoja esimerkiksi suhteessa säteilyturvallisuuteen. SLACissa kiihdytinalue on rajattu ulkopuolisesta julkisesta tilasta aidalle, minkä Traweek yhdistää kulttuuriseen rajanvetoon puhtaan ja saastuneen välillä, ja salatun ja kielletyn yhteyteen. Tätä voisi pitää ylitulkintana ja nähdä asian vain säteilyturvallisuuskysymyksenä, ellei ottaisi huomioon, että alueella ei SLACin mukaan oleellisesti ole säteilyvaaraa, eikä Japanin KEK-laboratoriossa ole vastaavia aitoja.

Muuten Traweekin kuvaukset kokeista ja laitteistoista eivät ole kirjan kiinnostavinta antia. Ne havainnollistavat kyllä sitä, miten paljon teknologia on kehittynyt. SLACin koeasema K-Zero rekisteröi 24 miljoonaa reaktiota viidessä ja puolessa vuodessa ja seuraavan sukupolven LASS rekisteröi saman määrän kolmessa kuukaudessa; nykyään LHC rekisteröi 40 miljoonaa törmäystä sekunnissa. Traweek kommentoi, että hiukkasfysiikka eroaa monista muista tutkimuksen aloista siinä, että laitteet edustavat kehittyneintä saatavilla olevaa teknologiaa, ja fyysikot itse suunnittelevat ja rakentavat ne itse, eivät hanki valmiina.

Kokeiden kuvauksen yhteydessä olevat Traweekin selitykset fysiikan sisällöstä menevät yllättävän usein hieman pieleen ottaen huomioon, miten pitkään hän oli tekemisissä fyysikoiden kanssa ja työskenteli sitä ennen SLACin suurelle yleisölle suunnatussa vierailijaohjelmassa. Myös laitteiden lukeminen sukupuolisten ja seksuaalisten vertauskuvien kautta on paikoitellen liioiteltua. Traweek esimerkiksi esittää SLACin (Stanford Linear Accelerator Center) esimerkkinä laboratorioiden ja kokeiden nimien sukuelimellisyydestä. (Englannin sana slack, joka äännetään samalla tavalla kuin SLAC, tarkoittaa velttoa.)

Enimmäkseen Traweekin huomiot sukupuolten jakaumasta ja niihin liittyvistä asenteista fyysikoiden keskuudessa ovat kuitenkin perusteltuja. Hän käsittelee myös jonkun verran rodullistettujen asemaa yhdysvaltalaisessa fysiikan yhteisössä, mutta tämä tarkastelu jää pinnallisemmaksi. Epätasa-arvo on yhä ongelma, mutta edistystä on tapahtunut, ja nykyään avoin naisten vähättely on harvinaisempaa. Minua yllätti, että 70-80-luvulla fyysikot pitivät itsestään selvänä, että he ovat naimisissa, ja juoruilivat ahkerasti naimattomien miesten vastuuttomasta romanttisesta elämästä tai seksielämästä, minkä katsottiin haittaavan heidän työtään. Tällaiseen en ole Euroopassa törmännyt, enkä usko sen elävän enää Yhdysvalloissakaan.

Traweekin havainnot juorujen eli epämuodollisen yhteisöä koskevan puheen tärkeästä roolista tiedon välittämisessä pitävät muuten monin osin vieläkin paikkansa. Samoin hänen kartoituksensa fyysikkojen omakuvan kehityksestä romanttisista sankareista (mikä opitaan oppikirjoista) kohti haavoittuvampaa ylevyyttä tuntuu yhä osuvalta. Huomiot aggressiivisesta keskinkertaisuuden väheksymisestä, käsityksestä fyysikoiden erinomaisuudesta verrattuna muihin tutkijoihin, ja tarpeeksi rajatuissa raameissa pysyvän itsenäisen ajattelun palkitsemisesta pätevät nekin vielä.

Traweek kirjoittaa liikuttavasti siitä, miten fyysikoiden pelot ja käsitys ajasta kehittyvät. ”Uransa aikana fyysikko oppii menneisyyden mitättömyyden, pelon siitä, että on liian vähän aikaa nykyhetkessä, ja ahdistuksen siitä, että tulee tarpeettomaksi liian nopeasti edistyvän tulevaisuuden myötä.” Traweekin mukaan fysiikan kulttuuri ”huolella ylläpitää näitä kauhuja, kuin ne olisivat hyvien fyysikoiden välttämättömiä moottoreita”. En ole varma, onko tämä totta, mutta aikaan liittyvät huolet ovat iso osa fyysikon arkea. Tämän tiimoilta kirjassa on yksi havainto, joka tuntuu nykynäkökulmasta surulliselta: kirjoitusaikaan vain korkeimmissa asemissa olevien fyysikoiden odotettiin hankkivan rahoitusta, nykyään se on kaikkien riesa.

Traweek aloittaa kirjansa siitä, miten fyysikot yleensä esitetään elämää suurempina sankareina, maailmankaikkeuden mysteerien papistona. Kirjan yksi tarkoitus on demytologisoida fyysikot, kuvata sitä, miten he todella ajattelevat, toimivat, puhuvat, ja ylläpitävät yhteisöään. Tarkastelun syvyyden vaatima rajoittuma kokeelliseen hiukkasfysiikkaan kahdessa maassa vie hieman pohjaa sen yleistyksiltä. Silti kirja auttoi paremmin jäsentämään omia kokemuksiani teoreettisessa hiukkasfysiikassa ja sille läheisessä kosmologiassa, vähentämättä romanttista kiintymystä niihin.

Suti ja vasara

30.5.2021 klo 17.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Hiukkaskiihdyttimissä voi löytää uusia hiukkasia kahdella tavalla. Suoraviivaisinta on iskeä kaksi hiukkasta toisiinsa niin kovaa, että törmäyksessä syntyy etsitty hiukkanen. Toisaalta vaikka kokeessa ei syntyisi uutta hiukkasta, sen olemassaolon voi päätellä siitä sen vaikutuksesta tunnettuihin hiukkasiin.

Jo ennen kuin Higgsin hiukkanen luotiin protonien törmäyksillä vuonna 2012, sen olemassaolosta oli paljon epäsuoraa todistusaineistoa. Higgs antaa massan heikkoa vuorovaikutusta välittäville W– ja Z-bosoneille ja vaikuttaa niihin liittyviin hiukkasreaktioihin. Olisi ollut vaikea selittää muiden hiukkasten käytöstä ilman Higgsiä.

Yksi tällä hetkellä kiinnostava väylä uusien hiukkasten epäsuoraan havaitsemiseen on B-mesonit. Tiistaina kokeellinen fyysikko Mitesh Patel Iso-Britannian Imperial Collegesta puhui Helsingin yliopiston Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa niiden uusimmista kuulumisista.

B-mesonit ovat yhdistelmähiukkasia, jotka koostuvat yhdestä bottom-antikvarkista ja yhdestä up-, down-, charm- tai strange-kvarkista. Kvarkit ovat alkeishiukkasia, jotka esiintyvät vain sidottuina tiloina, joita kutsutaan hadroneiksi. (Paitsi hyvin kuumissa ja/tai tiheissä olosuhteissa varhaisessa maailmankaikkeudessa ja ehkä neutronitähtien keskustassa.) Hadroneita on pääasiassa kahdenlaisia: baryoneita, joissa on kolme kvarkkia ja mesoneita, joissa on yksi kvarkki ja antikvarkki. Myös monimutkaisempia yhdistelmiä on havaittu. Protoni on ainoa pysyvä hadroni. Vapaa neutroni hajoaa 15 minuutissa, muut hadronit hajoavat sekunnin murto-osassa.

Hiukkasten hajoaminen on sattumanvarainen tapahtuma, ja voidaan ennustaa vain se, millä todennäköisyydellä mitäkin hiukkasia syntyy ja mihin suuntaan ne liikkuvat. B-mesonin tapauksessa tämä voidaan periaatteessa laskea hiukkasfysiikan Standardimallista. Ongelmana on se, että kvarkit liikkuvat ja vuorovaikuttavat hadronien sisällä monimutkaisella tavalla. Niinpä on vaikea laskea tarkasti, miten mesoni hajoaa, etenkin silloin kun lopputulosten joukossa on toinen mesoni. Ongelma voidaan ohittaa siten, että ei verrata vain havaintoja ja teoriaa, vaan myös havaintoja toisiinsa.

Esimerkiksi ei osata tarkkaan laskea B-mesonin hajoamista K-mesoniksi ja elektroni-positroni-pariksi, eikä K-mesoniksi ja myoni-antimyoni-pariksi, eikä K-mesoniksi ja tau-antitau-pariksi. Mutta kaikissa kolmessa laskussa on sama ongelmakohta, eikä se vaikuta hajoamisten suhteeseen. Voidaan siis ennustaa, että kaikki nämä hajoamiset ovat (lähes) samanlaisia, vaikka ei osata laskea sitä, millaisia ne tarkalleen ovat.

Teorian mukaan B-mesoni siis hajoaa yhtä usein kaikiksi kolmeksi pariksi, ja parin jäsenet lentävät samoihin suuntiin, riippumatta siitä ovatko ne elektroneja, myoneja vai tauta antihiukkasineen.

Tänä keväänä julkistettujen CERNin LHC-kiihdyttimen LHCb-kokeen havaintojen mukaan kuitenkin B-mesoni hajoaa useammin elektroneiksi kuin myoneiksi. Jos Standardimalli pitää paikkansa, kerätyllä datamäärällä todennäköisyys tälle on 1:500. Kuten kokeellinen hiukkasfyysikko Tommaso Dorigo huomauttaa, tästä ei voi päätellä, että on tehty löytö 99.8% todennäköisyydellä. Koska kiihdytindatasta tarkistetaan satoja tai tuhansia erilaisia yhdistelmiä, sopii odottaakin, että vastaan tulee tällaisia tapauksia. Dorigo onkin valmis lyömään tuhat Yhdysvaltojen dollaria vetoa, että kyseessä ei ole uusi hiukkanen. Hiukkasteoreetikko Jester on sen sijaan varovaisen optimistinen.

Puheessaan Patel kuitenkin korosti sitä, että tämä ei ole ainoa B-mesonien hajoamiseen liittyvä poikkeama. B-mesoni hajoaa myoni-antimyoni-pariksi ennustettua harvemmin. Koska tässä hajoamistuotteissa ei ole mukana K-mesonia, tämän yleisyyden voi ennustaa tarkasti.

Kun laittaa poikkeamat yhteen, todennäköisyys sattumalle on naiivisti laskettuna 1:16 000, mikä alkaa olla vakuuttavaa. Lisäksi on havaittu, että syntyneiden hiukkasten suunnat poikkeavat Standardimallin ennusteista, mutta tämän kohdalla ennusteiden epävarmuus on toistaiseksi vielä iso.

Havainnoille olisi suhteellisen helppo selitys. Standardimallissa B-mesoni hajoaa samalla tavalla elektroneiksi, myoneiksi ja tauksi sen takia, että hajoamista välittävä Z-bosoni kytkeytyy samalla tavalla kaikkiin kolmeen hiukkaseen. Tämän voi muuttaa ottamalla mukaan uuden välittäjähiukkasen, joka vuorovaikuttaa eri tavalla näiden eri hiukkasten kanssa. Tällaiselle hiukkaselle on annettu mielikuvituksekas nimi Z’-bosoni. Toinen mahdollinen vaihtoehto on leptokvarkin nimellä tunnettu hiukkanen, joka muuttaa elektroneja, myoneja ja tauta kvarkeiksi ja toisinpäin (mikä on Standardimallissa mahdotonta).

Kuten tavallista, ongelmana on selittää, miksi muissa havainnoissa ei ole vielä näkynyt mitään. Jos kyseessä on uusi hiukkanen, sen massa on luultavasti hieman LHC:n nykyisten rajojen yläpuolella, eli se voi löytyä lähitulevaisuudessa. Mutta myös B-mesonien hajoamisesta saadaan lisää tietoa. Ehkä kiinnostavinta on se, että ensi maaliskuussa alkaa LHC:n kolmas havaintokausi, jonka aikana mitataan ensimmäistä kertaa B-mesonien hajoamista tau-antitau-pareiksi. Jos nyt esitetyt selitykset pitävät paikkansa, näiden hajoamisten pitäisi erota elektronihajoamisista vielä enemmän kuin myonihajoamisten.

Jotkut luonnehtivat viime kuussa julkistettuja tuloksia myonien magneettisesta momentista viimeiseksi toivoksi nähdä merkkejä Standardimallin tuonpuoleisesta hiukkasfysiikasta. Mesonien mittaukset osoittavat, että on olemassa toinenkin toivon reitti.

LHC:n käynnistyessä korostettiin sen törmäysten ennennäkemättömän korkeaa energiaa ja monet odottivat suuria löytöjä. Huomio kiinnittyi uusia hiukkasia etsiviin törmäyskokeisiin ATLAS ja CMS. Niiden dataa käytetään myös B-mesonien tutkimisessa, mutta nyt keskiöön on siirtynyt LHCb:n mittaamat pienet vaikutukset matalan energian tapahtumiin. B-mesonien hajoamisessa syntyneiden hiukkasen energiat ovat yli tuhat kertaa pienempiä kuin LHC:n protonitörmäyksissä. Aika näyttää, voittaako suti vasaran, vai jääkö Higgsin hiukkanen LHC:n ainoaksi löydöksi.