Takaisin alkuun
Viime kuussa sai lukea niin kotimaisia kuin ulkomaisia otsikoita siitä, miten pimeä aine voi olla alkuräjähdystä vanhempaa. Ajattelin, että en kirjoittaisi tästä mitään, tiedekohujahan tulee ja menee. Mutta kun minulta on toistuvasti kysytty asiasta –varmaankin siksi, että tutkimuksen takana on suomalainen Tommi Tenkanen, joka työskentelee Johns Hopkins -yliopistossa– niin yritän hieman valaista sitä mistä on kyse ja mistä ei ole kyse.
Aiheesta julkaistujen juttujen selkeys oli vaihteleva, kuten odottaa sopii. (Tämä Helsingin Sanomien juttu on paremmasta päästä.) Tavalliseen tapaan harhaanjohtavimmat elementit ovat peräisin tieteellistä artikkelia markkinoivasta lehdistötiedotteesta, eivät toimittajien näpeistä. Tiedotteessa sanotaan, että pimeä aine voi koostua hiukkasista, jotka ovat syntyneet ennen alkuräjähdystä, ja voimme niiden avulla saada tietoa ajasta ennen alkuräjähdystä. Tiedotteen mukaan tutkijat ovat pitkään uskoneet, että pimeä aine on alkuräjähdyksen jäänne, ja silloin sitä olisi monissa tapauksissa jo pitänyt löytyä. Siinä myös kerrotaan, että ajatus siitä, että pimeä aine on ajalta ennen alkuräjähdystä ei ole uusi, mutta tätä ennen kukaan ei ole pystynyt esittämään laskuja, jotka tukisivat ideaa.
Yllä olevasta pieni osa on väärin, mutta oikeastaan kaikki on harhaanjohtavaa. Suurin ongelma on tapa, jolla ilmaisua ”ennen alkuräjähdystä” (”pre-big bang”) on käytetty. Sanaa alkuräjähdys käytetään kahdessa merkityksessä. Sillä on alun perin tarkoitettu kaiken ajan ja avaruuden alkua. Sittemmin jotkut ovat ruvenneet tarkoittamaan sanalla alkuräjähdys kaiken aineen syntyä kosmisen inflaation lopussa, tai vain maailmankaikkeuden laajenemista ja jäähtymistä. Jälkimmäinen käytäntö on omiaan johtamaan ihmisiä harhaan, ja mielestäni sitä kannattaa välttää, vaikka olen itsekin siihen sortunut.
Sekä tieteellisessä artikkelissa että tiedotteessa kyllä todetaan, että ilmaisulla ”ennen alkuräjähdystä” tarkoitetaan kosmisen inflaation aikaa. Miksei siis puhuta suoraan kosmisesta inflaatiosta?
Kun tiedotteessa todetaan, että mallin ennusteiden avulla voidaan saada tietoa ”alkuräjähdystä” edeltävästä ajasta eli inflaatiosta, niin tämä on totta. Muotoilu antaa kuitenkin ymmärtää, että tässä olisi jotain erityistä, vaikka asia on näin kaikissa inflaatiomalleissa, joita on julkaistu satoja kohta neljän vuosikymmenen ajan.
Yksinkertaisimmissa inflaatiomalleissa on yksi kenttä, jonka energiatiheys ajaa avaruuden kiihtyvää laajenemista. Inflaation aikana kvanttivärähtelyt saavat aikaan kupruja kentässä. Inflaation loputtua kenttä hajoaa tavalliseksi aineeksi ja pimeäksi aineeksi, ja nämä perivät kentän epätasaisuudet, joiden ympärille galaksit ja muut rakenteet sitten tiivistyvät.
Tenkasen artikkelissa pimeä aine ei ole peräisin inflaatiota ajavasta kentästä. Sen sijaan siitä vastaa erillinen kenttä, jolla on omat kvanttivärähtelynsä inflaation aikana. Lehdistötiedotteen väite siitä, että tällaista ideaa ei olisi aiemmin toteutettu ei pidä paikkansa.
Ensimmäisen tieteellisen julkaisun, jossa aineen eri osat ovat peräisin inflaation aikaisista eri kentistä, joilla on omat kvanttivärähtelynsä, kirjoitti Silvia Mollerach vuonna 1990. Ensimmäinen yksityiskohtainen kahden kentän mallin sovellus havaittuihin epätasaisuuksiin on Kari Enqvistin ja hänen silloisen jatko-opiskelijansa (ja huonetoverini) Martin Slothin käsialaa vuodelta 2001. Huvittavaa kyllä, Enqvist ja Sloth todella käsittelivät ”pre-big bang”-mallia, jossa säieteorian avulla voidaan jatkaa alkuräjähdyksestä taaksepäin. Tämä Tenkasen käyttämä termi viittaakin fyysikoiden keskuudessa yleensä tällaiseen mahdollisuuteen, ei kosmiseen inflaatioon. Myös ideaa, jossa pimeä aine koostuu erillisestä kentästä on tutkittu paljon. Yksi tunnetuimpia pimeän aineen kandidaatteja, aksionit, on siitä esimerkki (kuten Tenkanen artikkelissa tuo aivan oikein esille).
Mikä Tenkasen tutkimuksessa sitten on uutta? Siinä esitetään ensimmäistä kertaa, että inflaation aikana pimeän aineen kentän tila (ja siten pimeän aineen tiheys) määräytyy klassisen fysiikan ja kvanttivärähtelyjen vaikutusten välisestä tasapainosta. Tämä on kiinnostava ja huomion arvoinen idea. Toteutusta voi arvostella: artikkelissa sovelletaan vain massattomille kentille pätevää kvanttivärähtelyjen laskua kentille, joiden massa alkaa olla merkittävä, ja toisaalta kvanttivärähtelyjen oletetaan sammuvan heti kun kentän massa ylittää tietyn rajan, vaikka todellisuudessa siirtymä on jatkuva. Mutta nämä ovat yksityiskohtia, joista tutkijat voivat keskustella ja julkaista tarkempia analyysejä; on tavallista, että uuden idean ensimmäisessä versiossa tehdään yksinkertaistuksia, joita myöhemmin hiotaan.
Malli ennustaa, että aineen epätasaisuudet ovat pienessä mittakaavassa isompia kuin inflaatiomalleissa yleensä, tavalla jonka voisi todentaa havainnoilla. Tämä on kiinnostavaa. Mutta lehdistötiedote eksyy myös tarinoimaan, että jos pimeä aine olisi sen sijaan ”alkuräjähdyksen jäänne”, niin se olisi pitänyt jo monissa tapauksissa havaita. Kyllä, suurimmassa osassa osassa inflaatiomalleja pimeä aine syntyy inflaation loputtua ja kyllä, monissa pimeän aineen malleissa pimeän aineen hiukkasia olisi jo pitänyt löytyä, mutta näillä kahdella asialla ei ole mitään tekemistä toistensa kanssa.
Tapaus muistuttaa tammikuun uutisointia toisesta maailmankaikkeudesta, jossa aika kulkee taaksepäin. On tehty ihan tavallista kelpo tutkimusta, joka perustuu aiemmin tunnettuihin asioihin ja jossa otetaan pieni askel eteenpäin. Sitten asiasta uutisoidaan tavalla, joka hämärtää paitsi lukijoiden käsitystä siitä, mistä kyseisessä tutkimuksessa on kyse, myös siitä, mitä aiheesta ylipäänsä. Tämä ei ole uutta. Tuntuu siltä, kuin aina saisi palata ensimmäiseen hiukkaskosmologian blogimerkintääni 12 vuotta sitten, joka käsitteli tiedeuutisoinnin ongelmia; esimerkeistä ei ole sittemmin ollut pulaa.
Tutkijoiden ei tulisi laittaa nimeään harhaanjohtaviin tiedotteisiin, eikä toimittajien pitäisi uskoa kaikkea mitä tutkijat (saati yliopistojen PR-osastot) sanovat.
Mukavaa, että tartuit aiheeseen. Moni kohta esittämässäsi kritiikissä onkin ihan aiheellista tai muuten pohtimisen arvoista.
Pidän termiä ”alkuräjähdys” parhaimpana kuvaamaan inflaation jälkeistä “kuuman alkuräjähdyksen” tilaa ja olen yrittänyt eri yhteyksissä promota esimerkiksi termin ”alkusingulariteetti” käyttöä silloin, kun puhutaan, no, alkusingulariteetista tai arkisemmin ilmaistuna kaiken alusta. Onhan meillä esim. yleisesti käytetty käsite ”alkuräjähdyksen nukleosynteesi”, jossa esiintyy termi ”alkuräjähdys”, mutta jolla ei ole mitään tekemistä alkusingulariteetin kanssa. Käsitteistö on muuten tällä hetkellä ristiriitaista ja luulen, että se hämärtää erityisesti suuren yleisön kuvaa siitä, mistä kulloinkin puhutaan ja mitä varmasti tiedämme tapahtuneeksi. Koska alkusingulariteetti sanana jo löytyy, mielestäni olisi syytä käyttää myös sitä.
Tietysti voi puhua ”alkuräjähdyksestä” ja ”kuumasta alkuräjähdyksestä” kuten tutkijoiden keskuudessa usein tehdään, mutta tämä on minusta hieman tarpeetonta hiusten halkomista. Kuumalle alkuräjähdykselle ja “alkuräjähdyksen” nukleosynteesille voisi tietysti keksiä myös jotkin ihan uudet nimet, mutta tuskin on realistista olettaa, että niitä aletaan käyttää. Eikä minusta tarvitsekaan, kun termi “alkusingulariteetti” jo löytyy.
Määrittelisin siis kosmoksen historiaa kuvaavan terminologian seuraavasti: (hypoteettinen) alkusingulariteetti -> tapahtumia, joista ei ole varmuutta -> kosminen inflaatio (tästäkään ei toki ole vielä täyttä varmuutta) -> alkuräjähdys -> tavanomainen laajeneminen (jonka voi vielä jakaa eri ajanjaksoihin, kuten “pimeään aikakauteen”, ensimmäisten tähtien syntyyn jne.). Sanoisin, että alkuräjähdys oli ajanjakso, joka kesti inflaation päättymistä seuranneesta maailmankaikkeuden lämpenemisestä kosmisen mikroaaltotaustan syntyyn ja siten sisälsi myös nukleosynteesin. Mielestäni määritelmä ei ole tyystin huono.
On syytä huomata, että lehdistötiedote ja artikkeli on kirjoitettu lukijalle, joka ei välttämättä ole aiheen asiantuntija. Termi “ennen alkuräjähdystä” on paitsi tarkoitettu herättämään mielenkiintoa (tapahtuiko tämä onnistuneesti vai ei, siitä voi tietenkin keskustella), myös ankkuroimaan kosmisen inflaation ajankohta. Kenties niissä olisi kuitenkin pitänyt vielä selventää, ettei tällä viitata alkusingulariteettiä edeltäneisiin tapahtumiin, mitä se sitten tarkoittaisikaan.
Mainitsit, että “kun tiedotteessa todetaan, että mallin ennusteiden avulla voidaan saada tietoa ’alkuräjähdystä’ edeltävästä ajasta eli inflaatiosta, niin tämä on totta. Muotoilu antaa kuitenkin ymmärtää, että tässä olisi jotain erityistä, vaikka asia on näin kaikissa inflaatiomalleissa, joita on julkaistu satoja kohta neljän vuosikymmenen ajan.” Tässähän on jotain erityistä: mallissa stabiilin pimeän ja tavallisen aineen energiatiheyden häiriöt eivät täysin vastaa toisiaan, eli teknisemmin ilmaistuna isokurvatuuriperturbaatio on nollasta poikkeavaa ja vieläpä kasvaa pienempiä kokoskaaloja kohti mentäessä. Tietenkin on myös sellaisia monen kentän inflaatiomalleja, jotka tuottavat isokurvatuuria ja on oma kysymyksensä, millä tarkkuudella sen lähteestä voidaan sanoa, mikäli sitä koskaan havaitaan. Periaatteessa myös Enqvistin ja Slothin epästabiilin kentän sisältämä kurvatonimalli voisi tuottaa samankaltaisen signaalin. Kaikkien näiden avulla voidaan luodata kosmisen inflaation aikaisia tapahtumia, enkä tiedä missä olisi sanottu, ettei asia olisi näin tai että olisin itse keksinyt tämän.
Kenties viittasit yo. lainauksella lehdistötiedotteen lauseeseen ”While the idea that dark matter existed before the Big Bang is not new, other theorists have not been able to come up with calculations that support the idea.” Se kieltämättä häiritsee itseänikin ja myönnän, että lause olisi joko pitänyt poistaa tai muotoilla toisin. Tästä kirjoitinkin jo omalle FB-seinälleni jokin aika sitten. Tiedotteen lause viittaa tämän tyyppisen pimeän aineen havaittaviin vaikutuksiin ja niiden antamaan tukeen mallille, ei siihen, etteikö muita kenttiä voisi olla olemassa inflaation aikana ja etteikö niillä voisi olla havaittavia vaikutuksia. Silti, kuten FB-seinälläni totesin, mallin tukemisessa ei kysymys tietenkään ole teoreettikkojen laskuista vaan viime kädessä havainnoista. Tätä lehdistötiedotteessa olisi pitänyt selventää.
Lopuksi täytyy sanoa, etten voi ottaa täyttä kunniaa sen keksimisestä, että tiettyjen olosuhteiden vallitessa inflaation aikana pimeän aineen kentän tila määräytyy klassisen fysiikan ja kvanttivärähtelyjen vaikutusten välisestä tasapainosta. Tämän nyt julkaistun artikkelin syntyyn vaikutti merkittävästi toinen artikkeli, jonka kirjoitin vuosi sitten Lontoon Imperial Collegessa työskentelevien Arttu Rajantien ja Tommi Markkasen kanssa (https://arxiv.org/abs/1811.02586), ja sitäkin edelsi Jim Peeblesin ja Alexander Vilenkinin paperi vuodelta 1999 (https://arxiv.org/abs/astro-ph/9904396), joka tosin ei ole saanut kovin paljon huomiota osakseen ja jonka mekin löysimme vasta kun olimme viimeistelemässä artikkeliamme.
Nyt julkaistun uuden artikkelini pääpointti on se, että aiempaa yksinkertaisempi skenaario riittää tuomaan klassisen fysiikan ja kvanttivärähtelyiden vaikutukset tasapainoon ja tuottamaan tätä kautta riittävästi pimeää ainetta. Artikkelissa myös näytän, millaisia havaittavia vaikutuksia tällä ja muilla vastaavilla malleilla on, kuten kirjoititkin.
Mieleen tuli vielä muutama kommentti:
Mainitsit, kuinka ”lehdistötiedote eksyy myös tarinoimaan, että jos pimeä aine olisi sen sijaan ’alkuräjähdyksen jäänne’, niin se olisi pitänyt jo monissa tapauksissa havaita. Kyllä, suurimmassa osassa osassa inflaatiomalleja pimeä aine syntyy inflaation loputtua ja kyllä, monissa pimeän aineen malleissa pimeän aineen hiukkasia olisi jo pitänyt löytyä, mutta näillä kahdella asialla ei ole mitään tekemistä toistensa kanssa.” Näillä on siinä mielessä paljonkin tekemistä toistensa kanssa, että monissa niissä tapauksissa, joissa pimeä aine olisi jo pitänyt havaita maanpäällisissä hiukkaskokeissa, ei ole mahdollista, että pimeä aine olisi syntynyt jo inflaation aikana. Tämä johtuu siitä, että pimeän ja tavallisen aineen välinen vuorovaikutus olisi näissä tapauksissa niin vahvaa, että pimeä aine väistämättä päätyi tasapainoon tavallisen aineen kanssa kuuman alkuräjähdyksen hiukkaspuurossa ja lopulta putosi pois tasapainosta, eli on väistämättä ”alkuräjähdyksen jäänne” ilman mitään mahdollisuutta saada tietää, miten tällainen aine käyttäytyi inflaation aikana, sillä informaatio siitä on tasapainon myötä pyyhkiytynyt pois. Sama ei toki päde toisin päin: mikäli pimeä aine ei päätynyt tavallisen aineen kanssa tasapainoon, se on voinut syntyä joko kosmisen inflaation aikana tai vasta sen jälkeen. Monissa näistä tapauksista sitä ei olisi vielä pitänytkään löytyä, kt. esim. https://arxiv.org/abs/1806.11122 (ja perään samankaltainen malli, jossa sen olisikin jo voinut löytää: https://arxiv.org/abs/1807.05022). Paljon on tottakai myös sellaisia malleja, joissa pimeä aine päätyi tasapainoon, mutta jota ei vielä ole ollut mahdollista havaita.
Toisena asian mainittakoon, että Mollerachin artikkeli ei itse asiassa ole ensimmäinen, jossa pohdittiin useamman kentän kvanttivärähtelyitä. Oman artikkelini julkaisun jälkeen tulin tietoiseksi tästä Michael Turnerin ja Lawrence Widrow’n paperista vuodelta 1988, jossa he pohtivat hyvin paljon oman artikkelini kaltaista tilannetta: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.37.3428 He myös epäsuorasti sanovat, että värähtelyt voivat tuottaa pimeää ainetta (mainitsemalla, että ”ainetta voi olla olemassa kiinnostavia määriä”), mutta eivät puntaroi muita havaittavia vaikutuksia enempää kuin toteamalla, että tällaisissa malleissa inflaation energiaskaala on rajoitettu. Artikkeli tosin on käytännössä täysin unohtunut, sillä 30 vuodessa se on kerännyt vain 10 viitettä.
Kiitos kommenteista! Tuota Turnerin ja Widrow’n artikkelia en tiennytkään.
Tämä ei ole hiusten halkomista. Kosmologian ulkopuoliset liittävät termin big bang usein kaiken alkuun, missä merkityksessä sitä alun perin käytettiinkin. Suomen sanassa ”alkuräjähdys” yhteys on tietysti vielä selvempi. Termi hot big bang ei ole juuri sen parempi.
Monet termit fysiikassa, ei vain big bang nucleosynthesis (vaikkapa reheating ja recombination) ovat harhaanjohtavia historiallisista tai tekniseen terminologiaan liittyvistä syistä. Tutkijat toki tietävät mistä keskenään puhuvat, mutta suurelle yleisölle viestiessä kannattaa pyrkiä selkeyteen.
Tiedotteesta saa sen kuvan, että on ko. mallille erityistä, että ylipäänsä saa tietoa ajasta ennen alkuräjähdystä. Siitä ei saa sitä kuvaa, että tiedon saaminen inflaation aikaisista tapahtumista on tavallista ja tämä malli vain ennustaa hieman erilaisia asioita kuin jotkut muut.
Jos tiedote ei olisi antanut sellaista harhaanjohtavaa kuvaa, että nyt on tehty jotain merkittävällä tavalla uutta, miksi se olisikaan levinnyt mediassa?
Jos pimeä aine syntyy inflaation jälkeen, se voi olla helposti tai vaikeasti havaittavaa. Niinpä se, että pimeä aine on vaikeasti havaittavaa ei kerro siitä, että se olisi syntynyt inflaation aikana.
Jos tarkoitetaan ”alkuräjähdyksen jäänteellä” WIMPpejä, niin niiden toki olisi pitänyt jo näkyä. Mutta WIMPit (kuten tiedät) ovat vain pieni osa mahdollisista kandidaateista.
(On myös helppo kehittää malleja, missä pimeä aine vuorovaikuttaa nykyään voimakkaammin kuin inflaation aikana. Esimerkiksi siten, että vuorovaikutusta välittää kenttä joka saa massansa Higgsin kentästä, jonka arvo on Higgs-inflaation aikana on iso mutta nykyään sähköheikkoa skaalaa. Eli en usko, että siitä, että pimeä aine on peräisin erillisestä kentästä inflaation aikana voi myöskään päätellä sitä, että sen vuorovaikutukset nykyään ovat heikkoja.)
Termin ”pre-big bang” kohdalla tosinhan ei ole kyse tutkijoiden käyttämien termien käyttämisestä harhaanjohtavasti suurelle yleisölle viestiessä, koska on tuiki harvinaista, että tutkijat ko. termillä viittaisivat inflaation aikaan. (En itse asiassa muista törmänneeni tätä artikkelia ennen yhteenkään tällaiseen tapaukseen.)
Tarkoitin, että hiusten halkomista on termien ”alkuräjähdys” ja ”kuuma alkuräjähdys” käyttäminen siinä mielessä, että on mielestäni turha käyttää yhtä sanaa ja alkaa sitten lisäkäsitteillä jatkaa sitä tarkoittamaan eri asiaa kun yhtä hyvin toiselle voisi keksiä oman sanansa. Tai sitten käyttää olemassa olevaa ”alkusingulariteettia” ja vielä täsmentää perään, että tällaisesta ei sitten oikeasti ole mitään tietoa, siinä missä (kuuma) alkuräjähdys on pitävä fakta. Vakavasta asiasta on toki kysymys, eikä ketään pidä tietoisesti johtaa harhaan. Olet oikeassa siinä, että kosmologia on historiallisista syistä täynnä aika kummallista ja helposti harhaanjohtavaa käsitteistöä. Itsekin syyllistyn jatkuvasti termin ”reheating” käyttämiseen, mutta termiä ”rekombinaatio” en käytä koskaan. Tämä johtunee siitä, että rekombinaatiota voi kutsua esim. ”kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn synnyksi”, mutta reheatingille en ole koskaan kuullut vaihtoehtoa. Voisihan sitä tietysti kutsua ihan vain ”heatingiksi”.
En itse ajatellut, että tiedotteesta saisi sitä kuvaa, että ko. mallille olisi aivan erityistä se, että ylipäänsä on mahdollista saada tietoa ajasta ennen alkuräjähdystä eli inflaatiosta. Eihän missään näin väitetä, vaan sanotaan vain, että ko. pimeän aineen mallilla voidaan näin tehdä. Päin vastoin, eksplisiittisesti todetaan, että idea inflaation aikana syntyneestä pimeästä aineesta ei ole uusi.
Kohdasta ”Niinpä se, että pimeä aine on vaikeasti havaittavaa ei kerro siitä, että se olisi syntynyt inflaation aikana. Jos tarkoitetaan ”alkuräjähdyksen jäänteellä” WIMPpejä, niin niiden toki olisi pitänyt jo näkyä. Mutta WIMPit (kuten tiedät) ovat vain pieni osa mahdollisista kandidaateista” olemme samaa mieltä. Tähän viittaa myös lehdistötiedotteen lauseen “If dark matter were truly a remnant of the Big Bang, then in many cases researchers should have seen a direct signal of dark matter in different particle physics experiments already” kohta ”in many cases”. Rajallisessa merkkimäärässä ei voi ihan kaikkea kertoa wimpeistä, siitä mitä ne ovat ja miksi niitä olisi pitänyt näkyä, tai miten asiaa ylipäätään tutkitaan ja mitä epävarmuustekijöitä tähän liittyy.
En sanoisi, että inflaatioon viittaaminen ”alkuräjähdystä edeltävänä aikana” on mitenkään erityisen harvinaista. Esimerkki tästä on esim. https://arxiv.org/abs/0812.3622, jossa käytetään termejä ”hot big bang” ja ”big bang” synonyymeinä toisilleen.
Joskus termiä ”hot big bang” tai ”big bang” tosiaan käytetään viittaamaan aineen syntyyn inflaation jälkeen, mutta en muista nähneeni termiä ”pre-big bang” viittaamaan inflaation aikaan. (Vaikka se oli tietysti yhtä johdonmukaista tai epäjohdonmukaista.)
Kiitos mielenkiintoisesta, joskin vaikeatajuisesta keskustelusta. Olisiko tämä hyvä hetki kysyä kahdelta kosmologilta kerralla itseäni vaivannutta terminologista asiaa, joka liittyy myös tähän keskusteluun.
”Alkusingulariteetti” kuulostaa maallikosta asialliselta nimeltä jollekin hyvin ”pienelle”, josta emme tiedä käytännössä mitään. Kuitenkin termiä ”singulariteetti” käytetään monessa muussakin merkityksessä niin mustien aukkojen yhteydessä kuin matematiikassa. Mustan aukon singulariteetti vaikuttaa fysikaalisesti täydelliseltä vastakohdalta alkusingulariteetille. Onko järkevää käyttää ainakaan maallikoiden kuullen yhtä ja samaa perustermiä sekä mustan aukon että alkuräjähdyksen yhteydessä? Vai voisiko musta aukko toimia alkuräjähdyksen esiasteena jollekin toiselle maailmankaikkeudelle?
Syksy, termi big bang *ei*alun perin viitannut alkusingulariteettiin; Hoyle tarkoitti sillä Gamowin et al hot bing bang. Tässä hengessä ”alkuräjähdys” = (kuuma) hyvin tiheä alkutila. Kysymys singulariteetista on tästä erillinen.
Tämän historiallisen katsauksen mukaan Fred Hoyle viittasi termillä big bang nimenomaan kaiken alkuun, eikä termiä keksinyt tai mainostanut Gamow. (Se ei esiinny kuuluisassa nukleosynteesipaperissa.)
”Hoyle was strongly opposed to cosmologies with a beginning in time. […] He emphasized the contrast between the Steady State theory and “the hypothesis that all matter of the universe was created in one big bang at a particular time in the remote past”, which he found to be “irrational” and outside science.”
https://academic.oup.com/astrogeo/article/54/2/2.28/302975
Gamow ei tietenkään puhunut alkuräjähdyksestä, hänen terminsä alkutilalle oli ”ylem”. Kyse on siis Hoylen haukkumasanasta BBCn kosmologialuennoissa. Mutta kuten Lemaitrelle, kyseessä oli Gamowillekin de facto t=0 – jolla hän ei (eikä Hoyle) tarkoittanut singulariteettia. Jälkimmäinen nousi prominenttiin rooliinsa vasta 60-luvulla Hawkingin ja Penrosen teoreemien myötä.
En ole varma onko tässä erimielisyyttä.
Singulariteetista en kommentoi mitään, mutta termi big bang tarkoitti (kuten tuossa artikkelissa käydään läpi) alun perin ajan ja avaruuden alkua, ei vain sitä, että aiemmin aine on ollut tiheää ja kuumaa.
Tenkanen: Tarkoitin, että hiusten halkomista on termien ”alkuräjähdys” ja ”kuuma alkuräjähdys” käyttäminen siinä mielessä, että on mielestäni turha käyttää yhtä sanaa ja alkaa sitten lisäkäsitteillä jatkaa sitä tarkoittamaan eri asiaa kun yhtä hyvin toiselle voisi keksiä oman sanansa. Tai sitten käyttää olemassa olevaa ”alkusingulariteettia” ja vielä täsmentää perään, että tällaisesta ei sitten oikeasti ole mitään tietoa, siinä missä (kuuma) alkuräjähdys on pitävä fakta. Vakavasta asiasta on toki kysymys, eikä ketään pidä tietoisesti johtaa harhaan.
Olen useasti ilmoittanut olevani fysiikan/kosmologian tavis ja kirjoitan sen mukaisesti. Tenkasen tutkimuksen julkinen tiedottaminen sisälsi kyllä raskasta harhaanjohtamista – (joidenkin osalta ehkä) tietoisesti ja (joidenkin osalta) tiedottomasti.
Big Bang/alkuräjähdys on surkea termi, mutta on valitettavasti jäänyt elämään. Väittäisin, että suuri yleisö yli 99 prosenttisesti liittää automaattisesti Big Bangin ja hypotettisen laskennallisen ”alun” eli singulariteetin toisiinsa (sehän nimenomaan oli Hoylen alkuperäinen ajatus). Tarvitsee vain astua tutkijoiden kammioista ulos huomatakseen tämän. Suomalaiset Enqvist ja Räsänen ovat popularisoidessaan koettaneet oikoa käsityksiä (esim Enqvistin kurvatoniteoria on kirjoissa tullut hyvin esille). Kaikille taviksille ei kyllä viesti ole mennyt perille (ehkä siksi että kosmologia käsitetään liian teoreettiseksi ja matemaattisesksi ja silloin jäävät elämään vain Big Bang/alkuräjähdys –tyyppiset epämääräiset sloganit).
Täällä Tiede-lehden palstoilla meillä on myös omat keskustelusivumme. Varsin yleinen vanhojen uskomusten ”vahvistuminen” jysähti myös Tenkasen tutkimusten tiedottamisesta. Olemme päässeet aikaan ennen alkua eli singulariteettiä!!! Hallelujaa. Itse yritin toppuutella sanomalla (HBBn mukaisesti), että tästä ei nimenomaan ollut kyse Tenkasen(kaan) tutkimuksessa. Eli ei jo vuosikymmeniä sitten Hawkingin ja Penrosen todistamasta suhtiksen singulariteetistä.
Höyrypäille ei pitäisi tarjota tällaisia aterioita.
Heikki Poroila: Singulariteetti on matematiikan termi, jolla viitataan pisteeseen, jossa matemaattinen objekti kuten vaikkapa jokin funktio ei ole hyvin määritelty. Sekä mustia aukkoja että aika-avaruutta globaalisti kuvaavat yleisen suhteellisuusteorian kenttäyhtälöiden ratkaisut sisältävät tällaisia pisteitä, joten siksi termillä ”singulariteetti” viitataan välillä mustiin aukkoihin, välillä maailmankaikkeuden (hypoteettiseen) alkuun. Singulariteetin kohdalla teoria ei ole hyvin määritelty, eikä sen pohjalta pystytä siksi sanomaan, millaisia luonnonlait ko. pisteessä ovat. Ei tiedetä, mitä mustan aukon tapahtumahorisontin sisällä on, joten ainoa rehellinen vastaus kysymykseesi siitä, voisiko musta aukko toimia alkuräjähdyksen esiasteena jollekin toiselle maailmankaikkeudelle on ”ehkä”, tai vielä rehellisemmin ”en tiedä”.
Syksy: Kiitos tuosta linkistä! Luen sen läpi heti kun ehdin.
Lentotaidoton: Jos ensin myöntää olevansa ”tavis ja kirjoittavansa sen mukaisesti”, kannattaa ehkä jättää painavien johtopäätösten tekeminen muille. Termin ”alkuräjähdys” käyttö on selvästi hämmentänyt ihmisiä, mutta viittaaminen tietoiseen harhaanjohtamiseen on aika paksua. Nähdäkseni tässä ei ole kysymys muusta kuin siitä, että eri yhteisöt (myös kosmologiayhteisön sisällä) käsittävät termin ja ovat tottuneet käyttämään sitä eri tavalla. Keskustelu siitä, mitä ajankohtaa/tapahtumaa/tapahtumasarjaa termillä ”alkuräjähdys” oikeastaan tarkoitetaan, ei ole mitenkään uutta. Tässä melko tuore esimerkki kolmen vuoden takaa: http://backreaction.blogspot.com/2016/07/can-we-please-agree-what-we-mean-by-big.html
Tietysti asia on näin kuin esität tutkijan näkövinkkelistä. Mutta pointti olikin siinä, että suurelle yleisölle tieteestä tiedottamisessa tulee huolellisesti pohtia sitä kenelle ja millä termeillä tiedotetaan. Monet huitaisevat tiedotteen alkulauseet tai pelkän otsikoinnin ja jäävät niiden pariin (ja kaljapäissä öristään sitten että juu juu Tenkanen sanoi niin).
Kun jo etukäteen tiedossa oli että: ”Nähdäkseni tässä ei ole kysymys muusta kuin siitä, että eri yhteisöt (myös kosmologiayhteisön sisällä) käsittävät termin ja ovat tottuneet käyttämään sitä eri tavalla. Keskustelu siitä, mitä ajankohtaa/tapahtumaa/tapahtumasarjaa termillä ”alkuräjähdys” oikeastaan tarkoitetaan, ei ole mitenkään uutta”, niin herranen aika sitä huolellisempi tulisi olla siinä, että selitetään MITÄ terminologiaa tutkija tässä tiedottamisessa käyttää (ja mitä ne termit merkitsevät).
Se, että tutkijat itse tietävät tasan tarkkaan missä mennään on laiha excuse.
”Johtopäätökset” tutkijayhteisössä lienevät ammatinkin puolesta yhteneväisiä, kaikenmaailman tavisyhteisöissä (eli ne joille tiedote oli osoitettu) eivät. Eikö nimenomaan TÄSSÄ olisi ollut oiva tilaisuus oikoa virhekäsityksiä (or is that too much asked)?
Lentotaidoton: Tiedotteessa käytetty terminologia on selitetty muun sisällön yhteydessä. Kuten Syksy yllä kirjoitti: ”Sekä tieteellisessä artikkelissa että tiedotteessa kyllä todetaan, että ilmaisulla ”ennen alkuräjähdystä” tarkoitetaan kosmisen inflaation aikaa.”
OK. Jotta ei jäisi väärinkäsityksiä niin puolustin kovasti juuri sinun käsitystäsi marssijärjestyksestä Tiede-foorumissa. Kritisoin huonoa tiedotuksen otsikointia.
Gamow ei tietenkään pohdiskellut 40-luvulla inflaatiota, joka on vakiintunut varteenotettavaksi hypoteesiksi vasta 70-luvulta.
Siten Hoylen heitto big bangista todellakin iskostui useita vuosikymmeniä sisältämään myös kaiken alun.
Hoyle itse totesi haastattelussa v. 1995, että sanat ovat kuin harppuunoja – kun ne ovat johonkin tarttuneet, niitä on hyvin hankala irrottaa. Ehkä olisi syytä uskaliaammin nimetä uniikisti epookkihypoteeseja (tässä esim. ”Inflaation pimeä aine”) sekaannusten välttämiseksi, kunnes/jos idea osoittautuu toimivaksi ja saa harppuunansa (esim. jälleen ansaitun nälvinnän johdosta) kiinni…
En halua lisätä bensaa kuuman keskustelun liekkeihin, mutta huomautan kuitenkin seuraavaa:
Kyselin työpaikallani, mitä ”alkuräjähdys” tarkoittaa. Kaikki sanoivat, että siinä joku pieni juttu lähtee (räjähtää) laajenemaan isommaksi.
Kyselyyni vastanneet henkilöt ovat koulutettuja*, keskiluokkaisia aikuisia ihmisiä.
Tämä kannattaa muistaa aina silloin, kun popularisoidaan kosmologiaa: yleiskielessä alkuräjähdys tarkoittaa nimenomaan sitä, että joku pieni juttu (i.e. alkusingulariteetti) lähtee nopeasti laajenemaan.
”Alkusingulariteetti” ja ”kuuma alkuräjähdys” menevät normi-ihmiseltä termeinä kirkkaasti yli hilseen.
*) Heillä on korkeakoulutason koulutusta joko humanistisella tai yhteiskuntatieteellisellä alalla; yhdelläkään ei ole yliopistotason opintoja matemaattisesta luonnontieteestä.
Jyri T:n kommentti on tärkeä. Kun ”yleis”kielessä (Jyri T) yleisesti käsitetään ”alkuräjähdys” yhdestä pisteestä ”räjähtäneenä” tarkoittaen singulariteettiä, niin tämä on poikinut kasoittain myös (ainakin minun mielestäni) ei-tieteellisiä näkemyksiä ja kannanottoja. Viittaan uskontoihin ja kaikenkarvaisiin New Age –oppeihin. Sekä maitokauppakosmologiaan. Solipsismi rulaa ja kovaa.
Ja tämä poikiminen johtaa tuhansiin ja taas tuhansiin hedelmättömiin ”keskusteluihin” (eli suomeksi räävittömiin kinasteluihin). Jonkun tai joidenkuiden tulisi tiedeyhteisössä tehdä SELVÄ ja tarpeeksi räväkkä julkinen ulostulo ja terminologiayhteenveto siitä, mitä näillä termeillä nykykosmologiassa tarkoitetaan (se, että se on kaivettavissa jostain tutkijan/tutkimuksen syövereistä, ei taida jaksaa jokapoikaa kiinnostaa).
Se, että singulariteettiä ei tiedetä tieteelliseksi muuta kuin hypoteesinä ja suhtiksen pätevyysalueen loppuna, tulisi (nöyrästi) tunnustaa ja tuoda ilmi (jo toimittajien otsikoissa). Tämän ymmärtämisestä on sitten ehkä turvallisempaa lähteä seuraamaan teoriapolkuja YLI standarditeorian. Nyt standarditeoria ja sen ylitykset menevät herttisen sekaisin. Ja niin menee keskustelukin.
Ongelmana on se, että tutkijatkin tarkoittavat termillä ”big bang” eri asioita. Pitäisi siis ensin saada muutos siihen, miten tutkijat käyttävät termiä. (Eli palata alkuperäiseen merkitykseen ajan ja avaruuden alusta.)
Termin ”pre-big bang” kohdalla tosin ei juuri ole tällaista ongelmaa, sen käyttämisessä suurelle yleisölle tarkoittamaan inflaation aikaisia tapahtumia lienee kyse lähinnä harhaanjohtavasta markkinoinnista.
Syksy, mitä termiä itse käytät kosmisen inflaation jälkeisestä ajasta, jonka myötä myös kevyimpien alkuaineiden ytimet syntyivät ja jonka todella tiedämme tapahtuneen? Vai onko tämä vain ”kosmisen inflaation jälkeinen aikakausi”, jossa ei ole mitään merkittävää? Minusta se ei ihan tekisi oikeutta saavutetulle tietämykselle kahdesta syystä: inflaatiosta ei ole täyttä varmuutta ja toisekseen olisi jossain määrin juhlallista, että varhaisimmilla ihmiskunnan tuntemilla hetkillä olisi jokin nimilappu, jonka pohjalta käsittää maailmankaikkeuden historiaa.
Mielenkiintoista muuten on, että käytämme edelleen termiä ”alkuaine” asioista, joissa ei tämän päivän tietämyksen mukaan ole mitään alkua ensinkään. Silti emme ole siirtyneet käyttämään sanaa ”alkuaine” alkeishiukkasista. En tiedä, miksei alkuräjähdystäkin voisi siirtää samaan historiallisten termien lokeroon.
Eri aikakausilla on nimityksiä vaikka kuinka: preheating (aineen synty, inflatonikentän hajoaminen), electroweak crossover (Higgsin kentän jäätyminen, sähköheikko olomuodon muutos), QCD crossover (hadronien synty, kvarkkien ja gluonien sitoutuminen), cosmological nucleosynthesis (kevyiden alkuaineiden synty, kevyiden ydinten synty), last scattering (atomien synty, kosmisen mikroaaltotaustan synty), ja niin edelleen.
Jos inflaation jälkeisille aikakausille haluaa antaa jonkun yhteisen nimen, se on inflaation jälkeinen aika. Termi ”big bang” ei kerro niistä mitään.
Kuten aiemmin sanottua, jo siitä, että ko. artikkelin tiedote poimittiin mediaan niin laajalti näkee, että se antoi harhaanjohtavan vaikutelman siitä, että on tehty jotain erityistä – artikkelien otsikot kertovat, mikä tämä väärinkäsitys on.
Sana alkuaine ei ole harhaanjohtava, koska sillä ei ole nykyään kuin yksi vakiintunut merkitys.
Syksy, onko käsityksesi siis se, että kun jokin sana tarkoittaa eri yhteisöille eri asioita ja sitä ei ole käytetty sinun käsityksesi mukaisesti, se on harhaanjohtavaa? Kuten nyt eri yhteyksissä näimme, ei ole edes tutkijayhteisölle mitenkään selvää, mihin termi ”alkuräjähdys” (big bang) itse asiassa viittaa. Pitäisi kyllä toki olla, ja linkkaamasi artikkeli vaikuttaa tämän suhteen hyvinkin lukemisen arvoiselta.
Tartun tähän siksi, että minusta harhaanjohtaminen kuulostaa tietoiselta vääristelyltä. Ei lehdistötiedotteen mukaisella lauseella ”pimeä aine saattoi syntyä ennen alkuräjähdystä kosmisen inflaation aikana” ole ollut tarkoitus johdattaa ketään harhaan, vaan saada ihminen lukemaan koko tiedote ja samalla ja ennen kaikkea kertoa, milloin inflaatio tapahtui ja miksi on mahdollista, että pimeä aine syntyi silloin. Jos alkuräjähdyksessä ja sen yksityiskohdissa on suuren yleisön keskuudessa tietämättömyyttä ja/tai kummastusta, en epäile hetkeäkään, etteikö sitä olisi myös kosmisen inflaation osalta. Kieltämättä tutkimuksesta uutisoitiin monessa yhteydessä harhaanjohtavasti tai jopa täysin väärin, mutta myös asiallisesti ja ymmärrettävästi kertoen, mistä oli kysymys, kt. esim. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/09/19/was-dark-matter-really-created-before-the-big-bang/#571f3c2d229a
Kuten muuten tuo yo. artikkeli näyttää, ei ole edes mitenkään selvää, että yleiskielessä ”big bang” tarkoittaa aina ajan alkupistettä. Ei asiasta käydä keskusteua pelkästään kosmologiyhteisön sisällä, vaan alkuräjähdyksestä inflaation jälkeisenä aikakautena uutisoidaan suuremmallekin yleisölle ihan jatkuvasti. Siitä, miten asian pitäisi olla, lienemme jossain määrin erimielisiä, kuten yllä on käynyt ilmi.
(Ja vielä alkuaine-sanaan liittyen: kieltämättä termi on yksikäsitteinen, mutta aika hämmentävä. Jos tänään oppisin, mitä atomit ovat mistä ne koostuvat ja kuinka niitä kuitenkin sanotaan eri alkuaineiksi, kysyisin varmaan, mistä tuo etuliite ”alku” siihen tulee. Sama pätee tietysti termiin alkuräjähdys. Tykkäsin muuten käyttämästäsi termistä ”cosmological nucleosynthesis”, jota en ollut kuullut aiemmin. Tässä on paljon enemmän järkeä kuin termissä ”big bang nucleosynthesis”, jos termillä big bang ei halua viitata inflaation jälkeiseen aikaan.)
Ei.
Kuten mainittua, en muista koskaan aiemmin törmänneeni siihen, että termiä ”pre-big bang” tiedeyhteisön sisällä käytettäisiin viittaamaan inflaatioon. (Vaikka en ihmettelisi, jos tällainen esimerkki jostain löytyisi.) Siinä ei ole kyse vakiintuneen käytännön toistamisesta.
Se, että alan ammattilainen on kirjoittanut aiheesta selkeästi Forbesiin ei kerro mitään siitä oliko tiedote harhaanjohtava (sen enempää kuin minun blogimerkintäni kertoo siitä). Ethan Siegelhän jutussa mainitsee, että asia on herättänyt hämmennystä, ja hän selventää asiaa.
Olet ihan oikeassa siinä, että kieltämättä termin ”pre-big-bang” olisi voinut artikkelissani muuttaa muotoon ”before the big bang” tms. sekaannusten välttämiseksi.
Viittasin edellisen viestini kolmannella kappaleella siihen, että artikkelissa Siegel viittaa omaan aiempaan artikkeliinsa vuodelta 2017 (https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/09/21/the-big-bang-wasnt-the-beginning-after-all/#50c5d44455df), jossa hän itse kertoo, ettei alkuräjähdys ollut kaiken alku. En näin ollen usko hänen tästä ajatelleen, että tiedote oli harhaanjohtava.
Seurasin aikanaan Kari Enqvistin luentoa Tieteidentalolla. Jos muistan oikein, hän sanoi big bangista, ettei maailmankaikkeus saanut alkuaan yhdestä pisteestä, vaan se syntyi kaikkialla samaan aikaan. Hän myös totesi ainakin minua hämäävästi, että alussa maailmankaikkeus oli noin metrin kokoinen äärettömän kuuma ja tiheä plasmapallo. Mitenkähän näihin keskenään ristiriitaisiin tietoihin pitäisi suhtautua?
Maailmankaikkeuden koosta, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sormustimen-verran/
En löydä vastausta viittaamastasi blogista. Viittasitkohan vahingossa väärään blogiin? Jospa Enqvist itse voisi kertoa, mitä hän tarkoitti kysymilläni seikoilla, eli sillä, ettei alkusingulariteettia ollut, vaan maailmankaikkeus sai alkunsa samaan aikaan kaikkialla, mutta oli kuitenkin alussa vain metrin kokoinen plasmapallo.
Toinen asia: sanot, ettei valon nopeutta voi ylittää. Inflaatiosta puhuessaan Enqvist (ja moni muu) kuitenkin sanoo laajentumisen tapahtuneen sen aikana valoa nopeammin. Mihin tässä pitäisi uskoa?
En viitannut.
Ilmaisu ”valoa nopeampi laajeneminen” on selitetty tuon blogin kommenteissa.
Kysyin inflaation aikana tapahtunutta laajenemisnopeutta, en sitä, mistä blogin kommenteissa puhutaan.
Näyttää siltä, että en saa vastausta kumpaankaan alkuperäiseen kysymykseeni. Harmi.
Vastaus ensimmäiseen kysymykseesi löytyy blogista ja toiseen kommenteista, kuten sanottua.
Tämä riittäköön tästä.
Tenkasen linkki: It might seem counterintuitive, because the way MOST PEOPLE (isot kirjaimet minun) conceive of the Big Bang is as a singular point of infinite density. If you say the Universe is expanding and cooling today, then you can extrapolate it back to a state where all the matter and energy was compressed into a single point in space: a singularity. This corresponds to an initial start time for our Universe — the beginning of our Universe — and that’s the Big Bang.
Vaikka asia kyllä selitetään jatkossa niin tässä(kin) selvästi myönnetään mikä on useimpien ihmisten käsitys Big Bangistä.
Wiki sanoo
Kosminen inflaatio on kosmologian teoria, jonka mukaan maailmankaikkeus koki alkuräjähdystä seuraavien sekunnin murto-osien aikana tyhjiöenergian aiheuttaman eksponentiaalisen laajenemisen vaiheen.
Huom. SEURAAVIEN
En kyllä (varsinkaan suomenkielisen) Wikipedian fysiikka-artikkeleita pitäisi kummoisena lähteenä.