Jokin sanoo poks

30.6.2017 klo 19.28, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minulta kyseltiin kommenteissa inflaatiota koskevasta kosmologien kiistasta, josta Peter Woit on kirjoittanut mainiossa blogissaan kolmeen otteeseen.

Tapaus ei ole tieteellisesti kovin mielenkiintoinen. Se kuitenkin auttaa ymmärtämään, miten tieteilijöiden viestintä ei ole aina virheetöntä eikä vilpitöntä, ja miten vaikea alan ulkopuolisten on laittaa väitteitä oikeisiin mittasuhteisiin. Woitkin myöntää, että ei pysty kunnolla arvioimaan osapuolten väitteitä, vaikka hänen erikoisalansa hiukkasfysiikka ei ole inflaatiosta kovin kaukana.

Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt ja Abraham Loeb kirjoittivat helmikuun Scientific Americaniin jutun, jolla oli räväkkä (ja arvatenkin toimituksen keksimä) otsikko ”POP goes the universe”, eli ”maailmankaikkeus sanoo POKS”. Kolmikko arvosteli siinä kovin sanoin kosmista inflaatiota, joka on paras tämänhetkinen selitys sille, miksi maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta kaikissa suunnissa ja  mistä kaikki rakenteet (kuten galaksit, planeetat ja solut) ovat peräisin.

Inflaation ideana on, että maailmankaikkeuden alkuhetkinä sen laajeneminen kiihtyy, mikä tasoittaa avaruuden: aineen tiheys laskee ja avaruuden kuprut suoristuvat sen osien etääntyessä toisistaan. Kiihtyvästä laajenemisesta on tyypillisesti vastuussa jonkin avaruuden täyttävä kenttä. Avaruuden kasvaessa valtavaa tahtia kentän ja aika-avaruuden yhteiset kvanttivärähtelyt venyvät kosmisiin mittoihin. Inflaation lopuksi kenttä hajoaa aineeksi, joka perii värähtelyiden synnyttämät epätasaisuudet, joista tulee galaksien ja kaiken muun rakenteen (kuten planeettojen ja ihmisten) siemeniä.

Ijjas, Steinhardt ja Loeb arvostelevat, että inflaatio ei ole teoria, vaan viitekehys erilaisille malleille. Ei ole yhtä inflaatioteoriaa, vaan satoja erilaisia malleja siitä, miten inflaatio olisi tarkalleen tapahtunut. Mallien pääasiallinen ero on se, millainen kenttä aiheuttaa kiihtyvän laajenemisen, onko kenttiä ehkä useampia tai saadaanko inflaatio kenties aikaan muuttamalla yleistä suhteellisuusteoriaa. Eri malleissa kvanttivärähtelyt ovat hieman erilaisia, joten maailmankaikkeuteen syntyy hieman erilaisia rakenteita. Esimerkiksi galaksit syntyvät aiemmin tai myöhemmin, ja galaksiryppäitä on enemmän tai vähemmän suhteessa galakseihin. Eri malleissa inflaatiosta vastuussa oleva kenttä hajoaa myös aineeksi vähän eri tavalla, joten esimerkiksi pimeää ainetta syntyy enemmän tai vähemmän suhteessa tavalliseen aineeseen.

Ijjas, Steinhardt ja Loeb väittävät lisäksi, että inflaatio on niin joustava idea, että valitsemalla sopivan mallin voi saada minkä tahansa tuloksen rakenteen siemenille. Lisäksi he väittävät inflaation aina (tai ainakin yleensä) jatkuvan ikuisesti ja johtavan multiversumiin, jossa avaruuden eri alueet ovat tyystin erilaisia eikä mitään voi ennustaa. Heillä on muitakin väitteitä joita en tässä käy läpi, ja heidän yhteenvetonsa on se, että ”inflaatiokosmologiaa, sellaisena kuin sen nykyään ymmärrämme, ei voi arvioida käyttämällä tieteellistä metodia”.

Kolmekymmentäkolme tunnettua hiukkasfyysikkoa ja kosmologia (joukossa jokunen nobelisti) laittoi nimensä alle vastaukseen, jossa puolustetaan inflaatiota ja kumotaan kolmikon väitteitä. Tieteessä yleinen mielipide ja auktoriteetit voivat olla väärässä, mutta tässä tapauksessa vastaus on paikkansapitävä: osa kolmikon huomioista pitää paikkansa, jotkut väitteet ovat liioiteltuja ja johtopäätökset ovat pötyä.

On totta, että inflaatiomalleja on monia erilaisia, mutta ei ole totta, että niistä saa ulos mitä tahansa. Ensimmäiset mallit on esitetty 1980-luvun alussa, ja niiden tyypilliset ennusteet ovat pitäneet kutinsa yhä tarkempien havaintojen myötä yli kolme vuosikymmentä. On totta, että jotkut inflaation parissa työskentelevät tutkijat (mukaan lukien osa niistä, joiden nimi on vastauskirjeessä) ovat voimakkaasti yhdistäneet inflaation multiversumiin ja mainostaneet ikuista inflaatiota. Inflaatio ei kuitenkaan välttämättä ole ikuista, eikä ikuinen inflaatio välttämättä synnytä multiversumia.

Inflaatio on itse asiassa tyypillinen esimerkki onnistuneen tieteellinen idea kehityksestä. Ensin idea keksitään, sitten sitä hiotaan. Kun se näyttää toimivan, niin moni yhteisön jäsen haluaa mukaan menestykseen, ja tutkijat kehittävät erilaisia versioita inflaatiomalleista, joilla on vähän erilaisia ennusteita. Samalla tulee tutkittua malleja, joiden ennusteet ovat hyvin epätyypillisiä, ellei muuten, niin sen osoittamiseksi, mihin kaikkeen idea venyy. Kunnes havainnot ja teoria yhdessä kiinnittävät sen, mikä malli on oikea, teoreetikot jatkavat uusien mallien rustaamista ja nykyisten tarkempaa syynäämistä.

Pimeän aineen tilanne on samanlainen. On satoja erilaisia ehdotuksia siitä, millainen pimeän aineen hiukkanen oikein on ja miten sen voisi havaita. Joissakin malleissa pimeän aineen hiukkasia on helppo havaita, toisissa niitä ei voi nähdä kuviteltavissa olevassa tulevaisuudessa.

Tämä ei tarkoita sitä, että pimeä aine tai inflaatio eivät ei olisi tieteellisiä ideoita. Tieteen mittarina pidetään usein sitä, että väitteet on mahdollista kokeellisesti osoittaa vääriksi. Todellisuus on monimutkaisempi. Tiede ei juuri koskaan etene siten, että esitetään teoria, joka tekee kiistattoman yksikäsitteisiä ennusteita, joiden todetaan olevan ristiriidassa havaintojen kanssa, mikä johtaa teorian hylkäämiseen.

Sen sijaan ideoista on yleensä erilaisia versioita. Havaintojen tarkentuessa osa malleista karsiutuu pois. Jos jäljelle jää yhä kummallisemman näköisiä malleja, joita pitää vielä jälkikäteen säätää sopimaan havaintoihin, niin luottamus siihen, että ollaan oikeilla jäljillä, laskee. Vastaavasti jos yksinkertaisimmat mallit ennustavat havaintoja oikein, luottamus ideaan kasvaa. Lisäksi myös ymmärrys malleista paranee, niin että voidaan puhua teoriasta mallin sijaan. Lopulta ylitetään raja, jossa onnistuneiden ennusteiden ja kehittyneen teoreettisen käsityksen yhteen kietoutunut kokonaisuus on niin vakaa, että teoria on järkevän epäilyn ulkopuolella.

Inflaatio ja pimeä aine eivät ole vielä ylittäneet tätä rajaa. Niitä voi järkevästi epäillä, ja niille on esitetty vaihtoehtoja. Sellaiset vaihtoehdot, jotka ennustavat hyvin erilaisia asioita kuin tyypillinen (tai mikään) pimeä aine ja inflaatio, ovat karsiutuneet pois. Nykyiset ehdotukset yrittävät toistaa pimeän aineen ja inflaation menestykset jollain eri menetelmällä, siinä yleensä kummemmin onnistumatta.

Ijjaksen, Steinhardtin ja Loebin kommentit onkin syytä ymmärtää heidän oman vaihtoehtoisen ideansa pönkittämisen viitekehyksessä. Osa vuosien 2000-01 väitöskirjatutkimustani liittyi Steinhardtin ja hänen silloisten yhteistyökumppaneidensa keksimän inflaation vaihtoehdon ongelmiin. Siitä on myöhemmin kehitetty idea maailmankaikkeudesta, joka ensin suppenee ja sitten laajenee, niin että rakenteen siemenet syntyvät suppenevan vaiheen aikana inflaation sijaan.

Siinä missä inflaatio voi toimia hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin kentällä, Steinhardtin ja kumppanien idea vaatii eksoottisempia rakennuspalikoita ja on inflaatiota monimutkaisempi. Niinpä sen esittelyyn niin tiedeyhteisössä kuin sen ulkopuolella on otettu mukaan iso annos inflaation puutteiden arvostelemista. Vaikka osa väitteistä on perättömiä, tiedeyhteisön sisällä on terveellistä, että jotkut pitävät esillä yleisesti hyväksyttyjen ideoiden heikkoja kohtia ja muistuttavat tutkijoita asioista, jotka menestyksen myötä sivuutetaan. Jos argumentit ovat kehnoja, sekin voi olla hyödyllistä osoittamalla miten vakaalla pohjalla arvosteltu idea on. Inflaation kohdalla kolmikko on oikeassa ainakin siinä, että ei vielä tiedetä, miten se alkaa.

Tiedeyhteisön sisällä ei niin haittaa, vaikka ihmiset puhuvat välillä pötyä. Voi jopa sanoa, että se on väistämätöntä. Ludwig Wittgensteinin sanoin, jos ihmiset eivät joskus tekisi hölmöjä asioita, mitään älykästä ei koskaan tulisi tehtyä. Asiantuntijoiden keskustellessa ja havaintojen tarkentuessa kyllä selviää, mitkä ideat ovat oikein ja millainen maailma on. Tiedeyhteisön –tai inflaatiokosmologien verrattain pienen joukon– ulkopuolella vahvat väitteet voivat kuitenkin haitata ymmärrystä tieteestä, koska yleisöllä ei ole tietoa niiden viitekehyksestä eikä valmiuksia arvioida niitä kriittisesti. Joskus tiedetoimittajia syytetään asioiden kärjistämisestä ja sensaatioiden perättömästä uutisoinnista, mutta suuressa osassa harhaanjohtavaa populaaria tiedekirjoittelua jäljet johtavat tutkijoiden näppäimistöihin.

21 kommenttia “Jokin sanoo poks”

  1. Jernau Gurgeh kirjoitti:

    Kiitokset vielä aiheen käsittelystä.

    Minua hämmästyttää eniten tässä ”sopassa” Steinhardtin osuus. Sen takia ajattelin itse, että voisiko tässä olla jotain tieteellisesti kiinnostavaa taustalla.

    Jos inflaatioteoria varmennettaisiin järkevän epäilyn ulkopuolelle (varhaisen maailmankaikkeuden tuottamat gravitaatioaallot?), niin se olisi Nobel-palkinnon arvoinen löytö. Löytö toisi varmuudella Nobelin Alan Guthille. Mutta koska inflaatioteoria kokonaisuudessaan on usean ihmisen tuotos, lienee todennäköistä, että palkinto jaetaan maksimimäärälle (3) sen tärkeimmistä kehittäjistä. Nämä kaksi muuta ovat Paul J. Steinhardt ja Andrei Linde.

    Tästä syystä ajattelin, että Steinhardtin motiivi saada näkyvyyttä syklisen maailmankaikkeuden teorialle (jota ilmeisesti Neil Turok on myös kehitellyt tahollaan) pelkästään itsekkäistä syistä on hieman outo. Käytännössä hän siis kampanjoi omaa Nobeliaan vastaan.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      En menisi itse sanomaan, keille myönnettäisiin Nobelin palkinto inflaatiosta. Niitä voisi antaa useampia: idean kehittämisestä, kvanttivärähtelyjen laskemisesta, tärkeistä havainnoista ja oikean inflaatiomallin esittämisestä (kun siitä saadaan selvyys); osa näistä ehkä yhdistettynä.

      Guth on tärkeä, mutta ei ensimmäinen. Varhaisia nimiä voi katsella vaikka artikkelimme https://arxiv.org/pdf/1407.4691.pdf viitteistä 11 ja 12. Steinhardtin nimi on aikajärjestyksessä jaetulla kahdeksannella sijalla. Tärkeysjärjestys onkin sitten monimutkaisempi asia.

      Steinhardt arvosteli inflaatiota voimakkaasti ainakin jo vuonna 2000, jolloin tein hänen ja kumppaneiden tutkimukseen liittyvää väitöskirjatutkimusta.

  2. Mika kirjoitti:

    Woit tuntuu tosin olevan sitä mieltä, että Guth et. al. lähestyvät asiaa vahvasti multiversumin näkökulmasta http://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?p=9349#comment-226098

    Toinen aihe, johon näin kesällä olisi kiva saada asiantuntijan näkemys suomeksi, on myöskin aika raflaavalla otsikolla varustettu http://www.tekniikkatalous.fi/tiede/suomalaistutkijat-ratkaisivat-100-vuotta-askarruttaneen-valoparadoksin-laajenevan-maailmankaikkeuden-hypoteesi-ei-enaa-tarpeellinen-6661152

    En nähnyt tästä vielä asiantuntevampia arvioita ja maallikon ymmärrys ei riitä alkuperäisen artikkelin analysoimaan.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Olen konferenssimatkalla, joten en nyt pääse lukemaan tuota Physical Review A:n artikkelia, mutta arXiv-versiossa ei puhuta mitään kosmologiasta. Tuskin julkaistussakaan.

      Populaarien juttujen perusteella ei voi juuri päätellä, mitä tutkija on tarkalleen sanonut (varsinkin kun kyse on lehdistä, jotka eivät erikoistu tieteeseen). Mutta väite, että Partasen et al julkaisu kumoaisi maailmankaikkeuden laajenemisen osoittaa suurta tietämättömyyttä aiheesta. (Kyseessä ei myöskään ole minkäänlainen paradoksi.)

      Ei ole ensimmäinen kerta kun Tekniikka & talous -lehdessä julkaistaan tieteestä hölynpölyä.

      1. Mika kirjoitti:

        Lähtökohtaisesti suhtaudun kaikkiin Tekniikka & talous -lehden kirjoituksiin, myös muihin kuin tieteestä kertoviin, varauksella, mutta koska jutussa kuitenkin laitettiin suoraan professori Tulkin suuhun maininta laajenevan maailmankaikkeuden hypoteesin tarpeettomuudesta niin ajattelin, ettei tuo välttämättä olisi pelkästään toimittajan omaa keksintöä.

        Näköjään T&T lehden juttu kopioitu lähes sellaisenaan Aallon tiedotteesta http://cmet.aalto.fi/fi/current/news/2017-06-30/

        1. Syksy Räsänen kirjoitti:

          Aikamoista. No, suuressa osassa harhaanjohtavaa populaaria tiedekirjoittelua jäljet tosiaankin johtavat tutkijoiden näppäimistöihin.

  3. Lentotaidoton kirjoitti:

    Räsänen: ”Aikamoista. No, suuressa osassa harhaanjohtavaa populaaria tiedekirjoittelua jäljet tosiaankin johtavat tutkijoiden näppäimistöihin”.

    Olen itse tieteen diletantti, tosin harrastanut/opiskellut yli 30 vuotta. Tänä nettiaikakautena tuntuu kaikenmoinen itsensä eteentuuppaaminen lisääntyneen räjähdysmäisesti. Nyt ei enää (ennen arvostettu) lähdekään takaa yhtään mitään.

    Ennen haukuttiin tietämättömiä/väärinymmärtäneitä toimitttajia. Nyt tuntuu, ettei neutraalisssa luotettavuudessa voi nojata edes itse tieteentekijöihin (ja siis etenkään heidän tulkittsijoihinsa).

    Ilman kyseisen alueen akateemista laajaa osaamista menee moni lankaan. Kun ennen etsittiin/imettiin uutisista uutta tietoa, nyt on päällimmäisenä epäilys. Ei hyvä. Kaikkien kukkien ei pitäisikään antaa enää kukkia sillä kaikki kukat eivät yksinkertaisesti ole (enää) kauniita. Siksi ovat ensiarvoisen tärkeitä esim tällaiset Syksy Räsäsen tyyppiset kanavat. Siitä Syksylle kiitos.

  4. Mika kirjoitti:

    Jos joku tutkijaryhmä voisi kuitenkin osoittaa, että etäisten tähtien valon punasiirtymä voidaan selittää muulla tavalla kuin laajanemisesta johtuvaksi, niin aiheuttaisiko tämä ongelmia nykyisille kosmologisille malleille, vai ovatko niiden havainnot ja ennusteet niin monesta lähteestä ristiriidattomia, että tällainen selitys voitaisiin hylätä samantien ja maailmankaikkeuden laajenemista pitää siitä huolimatta toteen näytettynä?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Jos osoitettaisiin, että kosmologinen punasiirtymä ei johdu maailmankaikkeuden laajenemisesta, se romuttaisi käsityksemme maailmankaikkeuden historiasta, atomiydinten synnystä, atomien synnystä, galaksien synnystä ja kehityksestä, ja niin edelleen.

      Tilanne on vähän samanlainen kuin jos osoitettaisiin, että laivojen katoaminen horisontin taakse ei johdu siitä, että Maa on pyöreä, vaan se onkin litteä. Tämä romuttaisi käsityksemme maailmanhistoriasta, lentokoneista jne.

      Sekä maailmankaikkeuden laajeneminen että Maan pyöreys ovat järkevän epäilyn ulkopuolella.

      1. Field kirjoitti:

        Voisiko Partanen Et Al tutkimusta tulkita niin, että punasiirtymä ei olisi niin suurta kuin tällä hetkellä ajatellaan. Tällöin tarve pimeälle energialle kosmologiassa poistuisi tai ainakin pimeän energian määrä muuttuisi. Maailmankaikkeuden laajenemisen
        epäileminen on kyllä karkeaa liioittelua.

        1. Syksy Räsänen kirjoitti:

          Tutkimus ei käsittelee kosmologiaa lainkaan.

  5. Syksy Räsänen kirjoitti:

    Tähdet ja avaruus -lehdessä on nyt uutinen Aalto-yliopiston harhaanjohtavasta lehdistötiedotteesta.

    https://www.avaruus.fi/uutiset/kosmologia-ja-teoreettinen-fysiikka/kosmologi-tyrmaa-aalto-yliopiston-tiedotteen-haittaa-ihmisten-ymmarrysta-tieteesta.html

    1. Mika kirjoitti:

      Kiitos tästä!

  6. Sunnuntaikosmologi kirjoitti:

    Kirjoitat näin: ”Lopulta ylitetään raja, jossa onnistuneiden ennusteiden ja kehittyneen teoreettisen käsityksen yhteen kietoutunut kokonaisuus on niin vakaa, että teoria on järkevän epäilyn ulkopuolella.”

    Ovatko mustat aukot ”järkevän epäilyn ulkopuolella” ?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Ennen niiden törmäyksestä mahdollisesti syntyvien gravitaatioaaltojen havaitsemista olisin sanonut että ei vielä. Odottaisin itse yhä tarkempia gravitaatioaaltohavaintoja ja teoreettisia laskuja mustien aukkojen vaihtoehtojen törmäyksistä syntyvistä aalloista ennen kuin julistaisin niiden olevan järkevän epäilyn ulkopuolella, mutta rajaa lähestytään.

      http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajapintojen_kosketuksia

  7. Lentotaidoton kirjoitti:

    Eusan linkki: …where they compressed and stretched our planet by the width of no more than a few atoms.

    LIGOn sivut: This latest wave caused the spacetime occupied by LIGO’s arms to stretch and shrink by 0.000,000,000,000,000,001 (or 1×10-18) meters (a.k.a. an “attometer”). That’s 1000 times smaller than a proton!
    ?

    1. Eusa kirjoitti:

      Lentotaidoton.

      Garvitaatioaallon havainnointi perustuu eroon LIGO:n tunnelivarsissa. 4 km mahtuva aalto tarkoittaisi 10^5 Hz luokkaa. Havaitut allot ovat luokkaa 10^2 Hz.

      Esittämäsi luvut eivät ole yhteismitallisia. Samoin kuin kosmologiassa säteilyn energiatiheys on verrannollinen tilan mittakaavamuutoksen potenssiin 4 (3 tilaulottuvuutta+aallonpituus), samoin gravitaatioaallon vaikutus maapalloon ja LIGOon ei liene lineaarisesti sovitettavissa; 100 Hz aallonpituus on luokkaa 3000 km, joka on liki tuhat kertaa tunnelin pituus. Vertailussa kertautunee tunneliin mahtuvaan aallonosuus ja tunnelin osuus maapallosta. Maapallon kutistumisessa on mukana kokonainen aalto, mutta LIGOssa vain murto-osa. Joudutaan huomioimaan kaksi vapausastetta (aallonosuusmitta ja havaintoaika) yhden (täyden aallon vaikutuksen määräinen mitta) sijaan…?

      Näin pähkäilisin, jotta nuo luvut voisi saada täsmäämään, mutta Syksy voinee valaista kuinka on…

  8. Mika kirjoitti:

    Hesarikin teki uutisen aiheesta, jossa Aallon tutkijat pääsevät vastaamaan saamaansa kritiikkiin: http://www.hs.fi/tiede/art-2000005283038.html

    Voisi kai sanoa, että jos ei halunnut uutisoinnin keskittyvän kosmologisiin kysymyksiin, niin heitot laajenevan maailmankaikkeuden hypoteesin tarpeettomuudesta olisi kannattanut jättää tutkijoiden illanviettoon lehdistötiedotteen sijaan.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Surullista, että Helsingin Sanomat esittää hölynpölyn vakavasti otettavana tieteellisenä kannanottona.

  9. Sunnuntaikosmologi kirjoitti:

    Scientific American-lehdestä voisin sanoa pari sanaa. Tuolla lehdellä ainakin oli hyvä maine tieteen popularisoinnin saralla, oikein sen genren aatelia aikoinaan. En itse ole sitä pitkään aikaan lukenut muuta kuin ohimennen vilkaissut, mutta sen vähäisen perusteella käsitykseni on että lehti on entiseen verrattuna jossain määrin sortunut hypeen ja hömppään. Vähän samaan tapaan kuin nykyinen Hesari on osittain kuin 80-luvun Ilta-Sanomat.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *