Onnellinen unohdus
Kun luennoin kurssia Fysiikkaa runoilijoille, yksi asia joka vaikuttaa joskus olevan vieras luonnontieteen ulkopuolelta tuleville opiskelijoille on fysiikan historiattomuus. Tämä ei viittaa tutkimuksen tekemiseen, vaan sen sisältöön.
Fysiikassa jokainen paikkansapitävä teoria sisältää edeltäjänsä – tai tarkemmin sanottuna kaiken mikä edeltäjissä on totta. Esimerkiksi suppea suhteellisuusteoria 1900-luvun alussa korvasi 1600-luvulta periytyvän klassisen mekaniikan. Suppea suhteellisuusteoria käyttäytyy melkein kuin klassinen mekaniikka kun nopeudet ovat paljon valonnopeutta pienempiä. Suppea suhteellisuusteoria ei sisällä klassisen mekaniikan niitä osia, joihin liittyy matkailu ylivalonnopeudella. Sen sijaan se osoittaa, että ne eivät kuvaa todellisuutta, eli ne ylittävät klassisen mekaniikan pätevyysalueen.
Periaatteessa klassista mekaniikkaa tarvitsisi enää opetella, vaan fysiikan opinnot voisi aloittaa suoraan suppeasta tai yleisestä suhteellisuusteoriasta. Käytännössä näin ei tehdä, koska klassisen mekaniikan pätevyysalue on niin laaja, että on hyödyllistä tutustua sen yksinkertaisempaan rakenteeseen, joka on myös lähempänä arkijärkeämme kuin suhteellisuusteoria ja siksi helpompi oppia. Toisaalta klassista mekaniikkaa on laajennettu suhteellisuusteoriassa ja kvanttifysiikassa eri suuntiin, eikä vielä tiedetä miten langat saadaan punottua yhteen.
Historiattomuuden takia fysiikkaa ei opetella vanhoista teksteistä, esimerkiksi suhteellisuusteorian tutkijat eivät yleensä lue vaikkapa Albert Einsteinin artikkeleita. Ihmistieteissä tilanne on erilainen, koska tutkimuskohteena ei ole vain maailma, vaan myös ihmisten käsitykset siitä. Niinpä uudet teoriat täydentävät ja laajentavat mutta eivät yleensä korvaa edeltäjiään, ja kirjallisuuden kasvu on rikkautta.
Fysiikan historiattomuus liittyy siihen, että kun teoria osoittautuu vääräksi, siihen ei tarvitse enää palata. Esimerkiksi teoriat eetteristä on jo unohdettu, koska se on osoittautunut olemattomaksi ja tarpeettomaksi. Se, että fyysikot eivät juuri lue teorioiden kehittäjien tekstejä auttaa heitä kehittämään selvemmän näkökulman teorioiden sisältöön.
Esimerkiksi Isaac Newtonin muotoileman klassisen mekaniikan yksi keskeinen piirre on se, että maailma on deterministinen: nykytila määrää tulevaisuuden ja menneisyyden yksikäsitteisesti. Tällaista maailmaa verrattiin täydelliseen kellokoneistoon jo Newtonin aikaan 1600-1700-luvulla, mutta Newton itse voimakkaasti vastusti tätä teoriansa suoraviivaista seurausta.
Newton hahmotti myös, että klassisen mekaniikan mukaan Aurinkokunta ei ole stabiili, vaan planeettojen radat voivat muuttua ajan myötä. Hän ratkaisi asian toteamalla, että Jumala puuttuu asiaan ja pistää planeetat takaisin radoilleen.
Samalla tapaa Einstein vastusti ajatusta siitä, että maailmankaikkeus laajenee. Hänen vuonna 1915 löytämänsä yleisen suhteellisuusteorian ytimessä on se, miten avaruus muuttuu ajassa. Sen mukaan maailmankaikkeus yleensä joko supistuu tai laajenee. Einstein ei ollut valmis hyväksymään tätä, vaan ennemmin muutti vuonna 1917 teoriaa saadakseen aikaan ikuisen ja muuttumattoman maailmankaikkeuden.
Einsteinin malli jouti romukoppaan, kun maailmankaikkeuden laajeneminen havaittiin vuosina 1927-29. Laajenevan maailmankaikkeuden isänä tunnetuksi tullut Edwin Hubble, joka teki keskeisiä havaintoja asiasta, ei tosin koskaan ollut vakuuttunut siitä, että maailmankaikkeus todella laajenee.
Suuri yleisö muistaa kvanttimekaniikan tienraivaaja Erwin Schrödingerin ajatuskokeesta, missä kissa laatikossa on samaan aikaan elossa ja kuollut. Schrödingerin tarkoituksena oli osoittaa, että kvanttimekaniikka on puutteellinen, koska todellisuus ei voi olla niin outo. Nyt asia nähdään toisin päin, eli koe osoittaa miten outo todellisuus on.
Listaa voisi jatkaa, mutta poiminnat jo havainnollistavat sitä, että perustavanlaatuisella tavalla vääriä käsityksiä teorioista ei ole vain kehnoilla tutkijoille eivätkä ne koske vain pikkuseikkoja. Tieteenalojensa kärkihahmot ovat usein olleet väärässä itse tekemiinsä läpimurtoihin liittyvistä keskeisistä kysymyksistä.
Nämä kysymykset eivät aina ole olleet vaikeita siksi että ne olisivat niin monimutkaisia, vaan sen takia, että niihin liittyi edeltävästä teoriasta jääneitä ennakkoluuloja siitä millainen maailman pitää olla.
Uusien teorioiden löytäjillä on toinen jalka menneessä. Teorian myöhemmin omaksuvat eivät ole enää sidoksissa hylättyihin ideoihin, varsinkin jos havainnot ovat ne huonoiksi osoittaneet, joten heidän on helpompi ottaa teorian viesti vastaan.
Fyysikkojen pinnallinen käsitys alansa historiasta eristää heitä inhimillisiltä virheiltä ja lyhentää auktoriteettihahmojen arvostuksesta johtuvien ajattelun rajoitusten elinaikaa. Tekijöiden näkemyksillä ei ole merkitystä, koska tutkimuksen aiheena on luonto, ei ihmisten mielipiteet siitä.
Ankaruus teorioita kohtaan myös vapauttaa fyysikot esittämään kaikenlaisia ideoita, koska väärät voi onnellisesti unohtaa. Tämä toisinaan hämmentää ulkopuolisia, kun tiedeuutisoinnissa ei tehdä selvää eroa sen välillä, mikä on (mahdollisesti jo vääräksi tiedettyä) villiä spekulointia, mikä luotettavaa mutta epävarmaa ja mikä järkevän epäilyn tuolla puolen.
Tutkimuksen tekeminen, toisin kuin teorioiden sisältö, ei silti ole historiatonta. Menneisyys vaikuttaa siihen, millaisia tutkimuskysymyksiä valitaan ja miten niitä lähestytään. Tässä suhteessa ei kenties olisi pahitteeksi, jos tutkijat tietäisivät paremmin, millaisia harha-askelia on otettu. On hyödyllistä ainakin tietää, että suuri joukko arvostettuja tutkijoita voi ajautua umpikujaan ja puuhailla siellä vuosikymmeniä, kuten eetterin tapauksessa kävi.
Tieteen historia ei toistu samanlaisena, eikä ole yhtä tieteellistä metodia joka veisi perille, joten aiempia tapahtumia ei voi soveltaa sellaisenaan. Mutta jos muistaa vain oikean reitin, on vaikeampi ymmärtää miten eksyksiin voi joutua.
Einstein halusi onnellisesti unohtaa kosmologisen vakion, kun selvisi, että kaikkeus vääjäämättä kehittyy laajemmaksi.
Aina uudelleen ja uudelleen kuitenkin nousee fyysikoitakin johdattelemaan vaistomainen ajatus taustamaisesta tilasta tai tila-ajasta, jossa tapahtuu tai tapahtumat järjestyvät koordinaatistoin.
Onko muita yritteitä kuin silmukkakvanttigravitaatio, jossa riippumattomien vapausasteiden merkitys ja luonne pyritään nostamaan itse teoriasta? QLG:kin kyllä näyttäytyy suht kömpelönä. Eikö teoreettinen tavoite tulisi olla mallissa, joka perustelee itse vapausasteensa, topologiansa, ulottuvuutensa ja geometriansa?
Silloin luulisi kaikkeuden kehityssuunta ja suhde rakenteisiinsa olevan sisäänrakennettuna osana toimivaa teoriaa – voisiko yleistä suhteellisuusteoriaa nähdä alustana sellaiselle?
Yleinen suhteellisuusteoria on yhtä riippumaton ”taustamaisesta tilasta tai tila-ajasta” kuin silmukkakvanttigravitaatio. Kummassakin aika-avaruuden geometria määräytyy kokonaisuudessaan liikeyhtälöiden perusteella, ei ole mitään taustaa.
Ei tästä sen enempää.
”On hyödyllistä ainakin tietää, että suuri joukko arvostettuja tutkijoita voi ajautua umpikujaan ja puuhailla siellä vuosikymmeniä, kuten eetterin tapauksessa kävi.”
Oma veikkaukseni on, että pimeälle aineelle ja pimeälle energialle käy ennen pitkää kuten kävi eetterille. Hiukkasfysiikan avulla en usko pystyttävän niitä selittämään. Veikkaan myös, että maailmankaikkeuden ikä todetaan väärin lasketuksi. Antaisin Nobel-palkinnon ilomielin sille, joka pystyy osoittamaan pimeän aineen ja energian sekä maailmankaikkeuden iän virhetulkinnoiksi.
Jos tieteellisten tutkimushankkeiden terveyttä arvioi Imre Lakatoksen esittämällä jaolla edistyviin ja degeneroituviin tutkimusohjelmiin, pimeä aine ja tyhjön energia ovat aivat selvästi edistyviä tutkimusohjelmia. Tyhjön energiasta on enemmän epäilyjä, mutta pimeä aine on sekä teoreettisesti selkeä että havaintojen puolesta hyvin menestynyt idea.
Etkö Syksy olekin tutkinut rakenteiden merkitystä kaikkeuden kehityksen piirteille, jos muistan oikein? Vai meneekö onnellisen unohduksen piiriin?
Kyllä, pitkään keskeinen tutkimusaiheeni oli maailmankaikkeuden rakenteen vaikutus laajenemiseen ja valon kulkuun. Kirjoitin siitä aikoinaan Tiede-lehden blogiin, mutta sen blogit on poistettu verkosta, eikä kirjoitusta ole arkistoitu Wayback Machineenkaan.
Kysäistäänpä tässä nyt kun tässä oli fysiikan ja kosmologian historiaa. Luin kirjan jossa aihetta sivuttiin hyvinkin useaan otteeseen ja miten tieteelliset käsitykset muuttuivat. Itseasiassa kirja on URSAn ”Yön Pimeys”, Olbersin paradoksia käsittelevä kirja. Tiedän, jo aika vanha. Mutta kertoo hyvin selkeästi ongelman historiasta 80-90 luvun alkuun antiikin Kreikasta alkaen.Kirja on ollut TODO-listalla varmaan vuosikymmeniä mutta nyt sitten luettu.
Heitin hatusta aloittaessani lukemaan kirjaa että tuo taivaan ”pimeys” selittyy avaruuden kaareutumisella. Kirjan mukaan sekään ei ole ratkaisu. Kirjassa esitettiin 15 ratkaisua. Suurin osa karsiutui helposti eikä selvää ratkaisua ainakaan kirjassa ollut.
Mikä on tilanne Olbersin paradoksin suhteen nykyään? Onko sille että tähdet ja galaksit näkyvät pimeää taustaa vasten selkeää selitystä? Staattisessa ikuisessa ja äärettömässä universumissa näkisimme taivaan hohkavan tähden pinnan intesiteetillä. Yleisin esimerkki lienee puunrunko/metsä vertaus katsottaessa aukiolta mihin tahansa suuntaan jolloin näkökenttään katsoit silmien tasalla mihin tahansa vastassa on puunrunko. Jotkin runkot lähempänä toiset kauempana mutta muodosten tasaisen taustan puunrungoista.
Kirjassa sivuttiin myös valon nopeuden mittaamisen historiaa. Huomattava tarkennus tuli Jupiterin Io-kuun pimennysten myöhästymisestä ja välillä etuaikaisuudesta. Se oli kai tarkin arvo mitä ilman pystyttiin tekemään ennen mittalaitteita. Ja myös filosofeilla oli aika vahvasti lusikkansa sopassa tuossa pimeyden arvoituksessa ennen 1900-luvun ja 1800-luvun lopun tieteen vallankumousta.
Muusta:
Tuohon yhteen vastaukseesi viitaten joillekin pimeä aine ja pimeä energia ovat mörköjä jostakin syystä. Sen puoleen helpottunut näkemyksestäsi. Luulen että syy oli varsin hyvä jos rakennettiin Euclid-teleskoopin kaltainen havaintoväline. Ehkä siinä ratkeaa pimeän aineen ja energian arvoitus.Pimeä aine ja energia ovat myös vahvasti esillä Sabine Hossenfelderin videokanavalla. Sopivan kansantajuisesti jopa minun tasoiselleni.
Yötaivas on (näkyvillä aallonpituuksilla) pimeä koska maailmankaikkeuden ikä on äärellinen ja valonnopeus on äärellinen, joten näemme vain äärellisen matkan päähän (ja tähtiä on ollut vain äärellisen ajan).
Joistakin Sabine Hossenfelderin kommenteista:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/mika-menee-pieleen/
En nyt osaa sanoa tyydyttääkö vastaus. Siis tämä olettaa todellakin että universumi on suljettu ja rajallinen. Mikä varmaan pitääkin paikkansa.
Eräällä foorumilla on ”Multiversumi” uskovaisia. En tiedä missä heidän ajatuksissaan nämä hypoteettiset multiuniversumit sijaitsevat, kenties jokainen erillisessä kuplassaan, ulottuvuudessaan tai ties missä. Jos ne siis jakaisivat saman oletetun avaruuden joka jatkuu äärettömyyksiin on tilanne sama kuin tähtiä on äärettömyydessä loputtomiin.
Valon nopeus on äärellinen. Meidän universumimme, havaittava ja se mitä emme koskaan pysty havaitsemaan enää, on 92 miljardia valovuotta ja säde noin 46 miljardia valovuovuotta. Valo on ehtinyt tulla kauimmasta kolkasta noin 13,4-13,6 miljardia vuotta?? Muistaakseni tai kun Webb havainnot lisääntyvät saadaan ehkä näkyviin jopa viimeinen kohde ennen ensimmäisen tähden syttymistä.
Taustasäteily joka nyt on karkeasti 2,7 Kelvin astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella on universumin syntymän jälki. Noin 13,7-13,8 miljardia vuotta sitten. Ja sen takaa ei voida havaita mitään.
Olen tietoinen Hossenfelderin ajatuksista ja hän ei käsittääkseni ole ammattilainen kvanttifysiikassa. Myös sen että on vastustanut pimeää ainetta. Olen katsonut myös nykyisen vallitsevan terorian ja MOND-”teorian” esityksiä hänen kanavaltaan. MOND eli Modified Newtonian Dynamics on ollut useasti hänen kanavallaan esillä. Mutta viimeisin uutinen hänen kanavallaan ei ollut enää kovin rohkaiseva MONDin kannalta. Sigma-arvo että MOND on väärä (Excludes) oli 16 ja vallitseva oikeassa sigma 19.
Löysin kuitenkin tämän artikkelin aiheesta aika pian kuin siitä uutisoitiin, marraskuun puolen välin tietämillä. Kiitos Hossenfelderin. Ja YouTubessa on todella paljon huuhaata (Flim flam) mitä tulee kosmologiaan, fysiikkaan ja kvanttifysiikkaan. Varuillaan saa olla koska tutkijoiden suuhun on laitettu vaikka mitä potaskaa mitä he/hän eivät ole koskaan edes sanoneet tai se on irroitettu asiayhteyksistä täysin.
Strong constraints on the gravitational law from Gaia DR3 wide binaries
Indranil Banik, Charalambos Pittordis, Will Sutherland
https://arxiv.org/pdf/2311.03436v1.pdf
Offtopic: Ehkä avoimen yliopiston alkeiskurssi kosmologiasta minulle ja sitten jatko-opiskelut. Aikaa on.
Ei tähän sisälly oletusta siitä, että maailmankaikkeus olisi ”suljettu ja rajallinen”. Sen verta ohi aiheesta, että ei tästä nyt sen enempää.
Joo, ei mitään. Huomasin olevani väärässä.
Ei muuten ole olemassa ainuttakaan vaihtoehtoa pimeälle aineelle, joka selittäisi kaikki havainnot (saati olisi ennustanut oikein uusia). Ei siis enää ole olemassa mitään kilpailua pimeän aineen ja vaihtoehtoisten selitysten välillä. Tietysti joku voi huomenna keksiä toimivan vaihtoehdon, mutta viimeiset noin 20 vuotta siinä ei ole onnistuttu. Ennen oli toimivia vaihtoehtoja, mutta havainnot ovat osoittaneet ne vääriksi.
Ei vaihtoehdoista pimeälle aineelle sen enempää, kun ei liity merkinnän aiheeseen.