Kehityskeskustelua
Koska fysiikan tutkimuskysymykset ovat pitkälle erikoistuneita ja niiden setvimiseen käytetty matematiikan kieli on kovin erilainen hyvin inhimillisen ajattelun ja viestinnän välineiksi kehittyneet kielet (kuten suomi ja englanti), tutkimuksen ja sen populaarin esityksen välillä on kuilu. Tämän takia popularisoinnista ei ole juuri hyötyä tutkimuksen tekemiselle. Asian kääntöpuoli on se, että kun lähestyy fysiikkaa yleistajuisen selittämisen kannalta, tulee pohtineeksi sellaisia kysymyksiä, joita ei tutkiessa ajattele.
Esimerkki tästä on se, että kun valmistelin viime kuussa Harppi-festareille esitystä kosmisesta inflaatiosta, mietin pitäisikö minun sanoa, että fyysikot ovat löytäneet inflaation vai että he ovat kehittäneet sen.
Kehittämisen puolesta puhuu se, että fysiikan malleja ja teorioita ei voi suoraan havaita tai mitata kokeista kuin uusia saaria tai eläinlajeja. Lisäksi mallien ja teorioiden tekeminen on sosiaalista ja luovaa toimintaa, missä keksitään erilaisia ideoita, laitetaan tunnettuja palasia yhteen ja ehdotetaan uusia. Havainnoilla on touhussa joskus isompi ja joskus pienempi rooli. Toisinaan, kuten inflaation ja yleisen suhteellisuusteorian kohdalla, lähes kaikki havainnot tehdään vasta mallin tai teorian esittämisen jälkeen. Silloinkin kun havainnot ovat keskeisiä, niiden tehtävä on auttaa valitsemaan sopiva jatke tunnetuille teorioille.
Kehittämisestä sopisi puhua senkin takia, että suurin osa fyysikkojen malleista ja teorioista on väärin. On esitetty satoja erilaisia malleja siitä, miten inflaatio on täsmälleen tapahtunut: inflaatiosta vastuussa oleva kenttä voi vuorovaikuttaa eri tavalla ja johtaa erilaisiin ennusteisiin, tai kenttiä voi olla useita. Näistä malleista korkeintaan yksi kuvaa todellisuutta, tai koko idea inflaatiosta saattaa olla väärin. Tuntuisi oudolta sanoa, että voi löytää asian, jota ei ole olemassa.
Ilmaisu löytäminen voi toisaalta olla sopiva siksi, että fysiikan teoriat kuvaavat todellisuuden piirteitä, jotka eivät riipu siitä, ovatko ihmiset vielä ymmärtäneet niitä vaiko eivät. Asiaa voi hahmottaa siten, että on olemassa äärettömän monta erilaista matemaattista rakennetta, eli tapaa yhdistää asioita loogisesti toisiinsa. Niistä kuitenkin vain yksi kuvaa todellisuutta, eli on fysiikkaa. (Tämä on yksinkertaistettu kuva. Oikeasti fysiikan eri alueiden kuvaamisessa käytetään monia matemaattisia rakenteita, jotka eivät välttämättä ole täsmällisesti yhteensopivia, mutta kuvaavat joitakin piirteitä tarpeeksi tarkasti. Ilmiö nimeltä emergenssi liittyy tähän.)
Fysiikan tutkimuksen voi käsittää luonnonlakien etsimisenä matematiikan maastosta havaintoja apuna käyttäen, ja siten on sopivaa puhua löytämisestä. Käytännössä tämä näkyy siten, että kun ollaan oikeilla jäljillä, niin asiat loksahtavat kohdalleen rakenteen ohjatessa ajattelua.
Esimerkiksi kosmisen inflaation haluttiin kestävän pitkään, jotta se ehtisi tasoittaa avaruuden ja tehdä siitä saman näköisen kaikkialla. Siksi esitettiin, että inflaatiota ajavan kentän arvo muuttuu hyvin hitaasti, jotta siltä kestää kauan heikentyä niin paljon, että inflaatio loppuu. Koska kenttä on melkein samanlainen koko inflaation ajan, myös sen kvanttivärähtelyt ovat melkein samanlaisia. Mitä varhaisemmin kvanttivärähtelyt syntyvät, sitä pidemmäksi ne ehtivät venyä avaruuden koko ajan laajetessa.
Niinpä inflaatio ennustaa oikein, että kvanttivärähtelyistä periytyvät kosmisessa mikroaaltotaustassa ja galaksien ison mittakaavan jakaumassa näkyvät epätasaisuudet ovat melkein samanlaisia niiden pituudesta riippumatta. Vielä tarkemmin, koska inflaation aikana kentän arvo laskee hitaasti, sen energiatiheys pienenee ja kvanttivärähtelyt heikkenevät vähän. Inflaatio siis ennustaa, että varhaisempina aikoina syntyneet eli pidemmiksi venyneet epätasaisuudet ovat hieman voimakkaampia, minkä havainnot ovat osoittaneet oikeaksi.
Pimeän aineen kohdalla on käynyt samoin. Pimeän aineen näkymättömyys on selitetty sillä, että se koostuu hiukkasista, joilla ei ole sähkövarausta. Tästä seuraa se, että ne eivät voi muodostaa molekyylejä ja siksi jäähtyä ja klimppiytyä yhtä tehokkaasti kuin tavallinen aine. Tämä selittää sen, että tavallinen aine on tiivistynyt galaksien keskustaan ja pimeä aine on levittäytynyt laajemmalle.
Samalla tulee selväksi, miksi galaksit muodostuvat niin varhain. Kosmisesta mikroaaltotaustasta näkyy, että 14 miljardia vuotta sitten tavallisen aineen tiheys oli sama kaikkialla sadastuhannesosan tarkkuudella. 14 miljardia vuotta on liian lyhyt aika sille, että noin pienistä epätasaisuuksista syntyisi galakseja. Koska pimeä aine ei vuorovaikuta valon kanssa, se ei näy suoraan kosmisessa mikroaaltotaustassa, ja sen tiheyserot ovat isompia kuin tavallisessa aineessa, ja nopeuttavat galaksien muodostumista pimeän aineen kasojen vetäessä tavallista ainetta puoleensa.
Ainoa vaihtoehto pimeälle aineelle on se, että gravitaatiolaki on erilainen kuin yleisessä suhteellisuusteoriassa. Tässä tapauksessa on kuitenkin pitänyt keksiä erilaisia ideoita eri havaintojen selittämiselle, sen sijaan että kaikki seuraisi suoraan yhdestä ideasta. Tämä on yksi syy siihen, miksi pimeää ainetta pidetään huomattavasti todennäköisempänä selityksenä.
On tietysti myös matemaattisia rakenteita, jotka jonkin aikaa näyttävät sopivan havaintoihin mutta osoittautuvat sitten vääriksi. Esimerkki tästä on suurten yhtenäisteorioiden kosmiset säikeet vaihtoehtona inflaatiolle.
Voisi sanoa, että väärätkin teoriat on löydetty matematiikan maastosta. Mutta minusta tuntuu silti, että löytämisestä sopii puhua vain oikeaksi osoittautuneiden teorioiden ja mallien kohdalla. Inflaatio on hyvin onnistunut idea, mutta sitä voi vielä järkevästi epäillä. Ehkä minun olisi Harppi-festareilla pitänyt puhua kehittämisestä eikä löytämisestä, vaikka tuntuukin siltä, että ollaan lähellä aikaa, jolloin tuo sana on paikallaan.
”Pimeän aineen näkymättömyys on selitetty sillä, että se koostuu hiukkasista, joilla ei ole sähkövarausta. Tästä seuraa se, että ne eivät voi muodostaa molekyylejä ja siksi jäähtyä ja klimppiytyä yhtä tehokkaasti kuin tavallinen aine. Tämä selittää sen, että tavallinen aine on tiivistynyt galaksien keskustaan ja pimeä aine on levittäytynyt laajemmalle.”
Onko kukaan pellepeloton esittänyt sellaista, että sopivissa olosuhteissa ’näkyvä sähkövaras’ voisi flipata ’pimeäksi sähkövaraukseksi’, jota sitten vastaan ’pimeä valo’? Tuollainen pimeä vuorovaikutus olisi sitten huomattavasti heikompaa verrattuna näkyvään sähköiseen voimaan ja siten mahdollistaisi havainnot.
Ei.
Mutta on esitetty, että on olemassa toinen sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kaltainen vuorovaikutus, jonka tuntevat ainoastaan toistaiseksi tuntemattomat hiukkaset. Tavallista sähkömagneettista vuorovaikutusta välittävät fotonit ja sitä välittävät ”pimeät fotonit” voivat sitten sekoittua hieman, jolloin pimeä aine vuorovaikuttaa sähkövarausten kanssa kuten sillä olisi erittäin pieni sähkövaraus.
Mitä pimeän aineen tiheysjakaumasta tällä hetkellä tiedetään? Onko jotain pääteltävissä sen perusteella miten paljon pimeää ainetta on eri ”tyyppisissä” galakseissa (esim onko esim eroja sillä miten kaukana galaksit ovat meistä) ja toisaalta miten pimeä aine on jakaantunut galaksien sisällä?
Ilmeisesti pimeä aine galaksien sisällä ei ole voimakkaasti ”klimpittynyt” tähtien ympärille, koska sen pitäisi varmaankin vaikuttaa mittaustietoon, mitä tähdistä tällä hetkellä kertyy (tai onko olemassa tähtitason mittaustietoa, jossa pimeän aineen vaikutus näkyy?)
Ja tähän vielä jatkokysymys: jos oletetaan että pimeä aine on jakautunut tasaisesti esim linnunradan sisällä, niin kuinka suurta näkyvän aineen massaa se vastaisi aurinkokunnassa (vaikka pallon tilavuus, jonka säde on Pluton kiertoradan etäisyydellä auringosta)?
Pimeän aineen ja näkyvän aineen suhde sekä jakauma vaihtelee galaksin koon ja tyypin mukaan.
Karkeasti, Linnunradassa suunnilleen Maan radan sisällä näkyvä aine hallitse liikkeitä, ja kauempana pimeä aine on merkittävä. Pimeän aineen pienimpien klimppien kokoa ei tiedetä, se riippuu siitä, millaisista hiukkasista pimeä aine koostuu ja miten sen jakauma kehittyy. Tyypillisissä pimeän aineen malleissa pienimmät klimpit ovat noin valovuoden kokoisia (mutta tämä vaihtelee paljon).
Pimeää ainetta on paljon pidemmälle kuin näkyvää ainetta, eli tuossa vertailussa pitäisi tarkentaa, ottaako huomioon kaiken pimeän aineen vain vain siltä osalta, missä on paljon myös näkyvää ainetta. Yleensä galakseissa ja kääpiögalakseissa on karkeasti muutamasta jokuseen kymmeneen kertaa enemmän pimeää ainetta kuin näkyvää ainetta.
Pimeän aineen massatiheys Aurinkokunnan etäisyydella Linnunradasta on noin 10^(-21) kg/m^3.
Eli periaatteessa jos pimeän aineen tiheysjakaumaa pystyttäisiin mittaamaan tarkemmin, voitaisiin ainakin sulkea pois jotkin vaihtoehdot pimeän aineen osalta? Onko tämän mittaustarkkuuden saavuttaminen millään muotoa realistista?
Kyllä vain! Muun muassa kollegani Till Sawala Helsingin yliopistossa tutkii pimeän aineen klimppien vaikutuksen näkyvään aineeseen havaitsemista.
”Ainoa vaihtoehto pimeälle aineelle on se, että gravitaatiolaki on erilainen kuin yleisessä suhteellisuusteoriassa. Tässä tapauksessa on kuitenkin pitänyt keksiä erilaisia ideoita eri havaintojen selittämiselle, sen sijaan että kaikki seuraisi suoraan yhdestä ideasta. Tämä on yksi syy siihen, miksi pimeää ainetta pidetään huomattavasti todennäköisempänä selityksenä.”
Jospa nyt ollaankin tilanteessa, missä yleinen suhteellisuusteoria on kovattava vielä yleisemmällä teorialla kuten Newtonin mekaniikka kvanttiteorialla 1900-luvun alussa, jotta päästään eteenpäin?.
Ei vaikuta luultavalta, että pimeän aineen sijaan kyse olisi gravitaatiolain muokkauksesta, mutta onhan se mahdollista.
Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/
Tämä on juuri sitä, mistä olen aina tilaisuuden tullen ”saarnannut”. Kun tutkijat pitävät jotain seikkaa (tässä tapauksessa gravitaatiolakia) annettuna totuutena, ilmiöiden – kuten pimeän aineen – selittämisessä, ei millään päästä eteen päin kun annettu lähtökohta on virheellinen. Gravitaatiolakia rustaamalla pimeän aineen dilemmasta ja monesta muustakin selittämättömästä voitaisiin hyvinkin päästä eroon.
Mistä löytyisi se ”uusi Einstein”, joka korjaisi sukupolvien ajan tutkimusta jarruttaneet virheet?
Kommenttiini linkatun blogimerkinnän lukemalla saa selville, että muutoksia gravitaatiolakiin on tutkittu. Niillä ei vain ole pystytty selittämään havaintoja eikä ennustamaan uusia, kun taas pimeä aine on tehnyt näin onnistuneesti kerta toisensa jälkeen.
Tämä riittäköön tästä.
Alkuperäinen suuri yhtenäisteoria on matemaattisesti elegantti, mutta protonin hajoamattomuus on laskenut sen suosiota. B-mesonin hajoamiskokeet lisäsivät varmasti kiinnostusta uudelleen teoriaperheeseen. Onko myoniin vaikuttavaa hypoteettista leptokvarkkia varten kokeita suunnitteilla?
Yhtenäisteorioissahan oli (ja on yhä) se esteettinen ongelma, että yhtenäisteorian ja Standardimallin isolle skaalaerolle ei ole vakuuttavaa selitystä.
En tiedä onko suunnitteilla koetta etsimään B-mesonikokeen tulosten selitykseksi esitettyjä leptokvarkkeja.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/parempi-vaarassa-kuin-sekaisin/
Energiaskaala on ulottumattomissa suorista leptokvarkin havainnosta. Jos protonin hajoaminen on mahdollista, sen aiheuttama bosoni on hyvin raskas ja näin ollen sen esiintyminen nykyään lienee erittäin epätodennäköistä. Voiko se olla mahdotonta ilman riittävää energiaskaalaa?
En ymmärrä kysymystä.
Mutta lienee paikallaan selventää, että B-mesonien hajoamisen selittämiseksi ehdotettu leptokvarkki on paljon kevyempi kuin suurten yhtenäisteorioden leptokvarkit. (Jotka tosiaan ovat kaukana nykyisten kokeiden ulottumattomissa.) Silloin pitää tietysti huolehtia siitä, että protoni ei hajoa liian nopeasti leptokvarkkien pienemmästä massasta huolimatta, mutta sellaista ideaa tuskin onkaan, joka olisi liian kiemurainen teoreetikkojen selitettäväksi.
Martti Vlle: Myös hypoteettisiä leptokvarkkeja käsittelee mainio Räsäsen aikaisempi blogi: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/suti-ja-vasara/
Lue myös kommentoinnit.
Pahoittelut epäselvästä kysymyksestä, joka lähti ennen aikojaa, mutta vastaus taisi olla mitä hain. Tuohon aikasempaan blogiin juuri viitaten, kokeisiin sopiva leptokvarkki on liian kevyt (40Tev) yhtenäisteorioiden vaatimaan protonin hajoamisajan alarajaan, mikä varmaan vähentää kyseisten teorioiden tutkimusta.Toki korkeammilla energiaskaaloilla voi tapahtua tuntemattomia asioita kuten kolme leptokvarkkityyppiä vuorovaikuttavat keskenään vielä raskaamman bosonin kautta.