Arkisto
- toukokuu 2023
- huhtikuu 2023
- maaliskuu 2023
- helmikuu 2023
- tammikuu 2023
- joulukuu 2022
- marraskuu 2022
- lokakuu 2022
- syyskuu 2022
- elokuu 2022
- kesäkuu 2022
- toukokuu 2022
- huhtikuu 2022
- maaliskuu 2022
- helmikuu 2022
- tammikuu 2022
- joulukuu 2021
- marraskuu 2021
- lokakuu 2021
- syyskuu 2021
- elokuu 2021
- kesäkuu 2021
- toukokuu 2021
- huhtikuu 2021
- maaliskuu 2021
- helmikuu 2021
- tammikuu 2021
- joulukuu 2020
- marraskuu 2020
- lokakuu 2020
- syyskuu 2020
- elokuu 2020
- kesäkuu 2020
- toukokuu 2020
- huhtikuu 2020
- maaliskuu 2020
- helmikuu 2020
- tammikuu 2020
- joulukuu 2019
- marraskuu 2019
- lokakuu 2019
- syyskuu 2019
- elokuu 2019
- heinäkuu 2019
- kesäkuu 2019
- toukokuu 2019
- huhtikuu 2019
- maaliskuu 2019
- helmikuu 2019
- tammikuu 2019
- joulukuu 2018
- marraskuu 2018
- lokakuu 2018
- syyskuu 2018
- elokuu 2018
- kesäkuu 2018
- toukokuu 2018
- huhtikuu 2018
- maaliskuu 2018
- helmikuu 2018
- tammikuu 2018
- joulukuu 2017
- marraskuu 2017
- lokakuu 2017
- syyskuu 2017
- elokuu 2017
- kesäkuu 2017
- toukokuu 2017
- huhtikuu 2017
- maaliskuu 2017
- helmikuu 2017
- tammikuu 2017
- joulukuu 2016
- marraskuu 2016
- lokakuu 2016
- syyskuu 2016
- elokuu 2016
- kesäkuu 2016
- toukokuu 2016
- huhtikuu 2016
- maaliskuu 2016
- helmikuu 2016
- tammikuu 2016
- joulukuu 2015
- marraskuu 2015
- lokakuu 2015
- syyskuu 2015
- elokuu 2015
- kesäkuu 2015
- toukokuu 2015
- huhtikuu 2015
- maaliskuu 2015
- helmikuu 2015
- tammikuu 2015
- joulukuu 2014
- marraskuu 2014
- lokakuu 2014
- syyskuu 2014
- elokuu 2014
- kesäkuu 2014
- toukokuu 2014
- huhtikuu 2014
- maaliskuu 2014
- helmikuu 2014
- tammikuu 2014
- joulukuu 2013
- lokakuu 2013
- syyskuu 2013
Työn toinen puoli
Usein kysytään, millaista tutkijan työ on. Olen kirjoittanut asiasta yleisesti ja tutkimuksen osalta, nyt kommentoin hieman opettamista. Palattuani kesällä 2010 ulkomailta Helsingin yliopistolle olen opettanut keväisin suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan perusteita aloitteleville opiskelijoille ja syksyisin kosmologiaa pidemmälle ehtineille. Johdantokurssien ja edistyneempien erikoiskurssien pitäminen eroaa toisistaan aika lailla.
Modernin fysiikan kulmakivet ovat suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka. Ne ovat täynnä ihmeellisiä asioita, joilla on perustavanlaatuinen merkitys maailmankuvallemme, todellisuuden epämääräisyydestä ajan suhteellisuuteen ja maailmankaikkeuden laajenemiseen. Oppiminen kuitenkin alkaa pohjatietojen hankkimisesta klassista fysiikkaa läpi käymällä. Samalla pitää omaksua kokonainen työkalupakki matemaattisia menetelmiä, jotta voi ymmärtää sitä kieltä, jolla teoriat on ilmaistu. Menee vuosia ennen kuin voi päästä sisälle vaikkapa yleiseen suhteellisuusteoriaan, mikä voi tuntua lannistavalta.
Tämän takia Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella on kaksi kurssia, joiden tarkoituksena on esitellä suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan perusteita ja ilmiöitä pelkistetysti. Kurssit on suunnattu ensimmäisen vuoden fysiikan opiskelijoille, mutta niillä käy myös edistyneempiä muiden aineiden opiskelijoita. Yksinkertaisia esimerkkejä käydään läpi matemaattisesti, monia asioita kuvaillaan vain populaarilla tasolla. Näitä kursseja luennoidessani pääasiallinen tavoitteeni ei ole se, että opiskelijat oppisivat fysiikkaa, vaan että he saisivat käsityksen siitä, mitä kaikkea hienoa siinä onkaan ja olisivat motivoituneita jatkamaan opintoja.
En ole varma kuinka hyvin tämä on onnistunut. Puolipopulaarit esitykset ovat minusta kaikkein hankalin laji. Täysin populaareissa luennoissa voi maalata leveällä pensselillä, yksityiskohtaisissa kursseissa matematiikka muodostaa selkeän kehyksen, jossa asiat ovat paikoillaan. Puolipopulaarien kurssien kohdalla pitää tasapainoilla sen välillä, että on tarpeeksi matematiikkaa teorioiden rakenteen selvittämiseksi, mutta riittävästi kuvailua josta saa laajemman käsityksen asioista, joiden matematiikka on liian vaativaa tai veisi liian kauan selittää. Vaikeutta lisää se, että opintojen alkuvaiheessa opiskelijoilla on vielä opittavana fysikaalisen sisällön lisäksi myös se, miten matematiikkaa käytetään fysiikan ymmärtämiseen. Kun on oppinut yhtälöiden lukemisen ja kirjoittamisen taidon, se tuntuu itsestään selvältä, ja on vaikea ymmärtää miksi joku pitää sitä vaikeana tai pelkää yhtälöitä.
On turhauttavaa kun opetukseen ei voi paneutua täysipainoisesti, vaan sitä tekee huonommin kuin mihin kykenisi. Luennot voisi pitää selkeämmin ja olisi mahdollista kartoittaa tarkemmin mitkä asiat ovat kurssilaisten mielestä hankalia, mutta se veisi enemmän aikaa. Tutkijan työssä kun on aikakin kaksi puolta, opetus ja tutkimus – raha-anomukset, hallinto ja mahdollisesti popularisointi tulevat sitten vielä päälle. Monet tosin katsovat, että tutkimus on heidän varsinainen toimensa, ja opetus ja muut velvollisuudet ovat lähinnä häiriötekijöitä. Opetusta pidetään usein negatiivisena palkkana, jonka joutuu maksamaan saadakseen tehdä tutkimusta. Hiukkasfyysikko Sidney Colemanin kanta, jonka mukaan hän luopuisi mielellään puolesta palkastaan, jos hänen ei tarvitsisi opettaa, ei liene harvinainen. Colemanilla toisaalta on maine loistavana opettajana: sellaista arvostetaan, mutta se ei ole juuri kenenkään tavoite. Tutkijan intohimo on uusien asioiden tutkiminen, ei vanhojen opettaminen. Myös työpaikkojen hakijoita arvioidessa tutkimusansiot ovat oleellisin tekijä, opetus on toisella sijalla.
Esittelykurssien luennoimisesta on kyllä se ilo, että tulee ajatelleeksi laajempia kokonaisuuksia ja historiallista kehitystä. Kuten popularisoidessa, samalla hahmottaa miten suurenmoisia asioita maailmasta onkaan saatu selville. Lisäksi, toisin kuin täysin populaarien kurssien yhteydessä, oppii arvostamaan sitä, miten fysiikan ideoita voi välittää yksinkertaisella matematiikalla.
Edistyneemmissä kursseissa on antoisaa se, että tulee käytyä yksityiskohtaisesti läpi sellaisiakin asioita, joita ei itse tutki. Opettaessa asiat pitää ymmärtää paljon tarkemmin kuin opiskellessa, ja kun on sisäistänyt tarpeellisen matematiikan kauan sitten, asiat tuntuvat helpoilta ja suoraviivaisilta, niin että joskus kummastelee, mikä niissä voi tuntua hankalalta. On virkistävää, ainakin ensimmäisillä luentokerroilla, nähdä miten jotkut opiskeluajoilta tutut asiat asettuvat osaksi nykyään laajemmin tuntemaa kokonaisuutta. Toisaalta kosmologiakurssiakin luennoin toinen käsi selän taakse sidottuna, koska suurin osa opiskelijoista ei ole opiskellut yleistä suhteellisuusteoriaa, joten kaikkea ei voi esittää niin suoraan ja selkeästi kuin mitä mieli tekisi.
Myöhäisemmän vaiheen kursseilla saa myös paremman kosketuksen opiskelijoihin, koska osallistujia on vähemmän: suhteellisuusteorian perusteiden kurssia käy 150 opiskelijaa, ensimmäistä kosmologian kurssia 20. Ero opiskelijoiden ja luennoitsijan näkökulman välillä on myös pienempi kuin opintojen alussa, mikä helpottaa kommunikointia. Ehkä kaikenlaisessa opettamisessa on kuitenkin piristävintä se, miten kiinnostuneita jotkut opiskelijat ovat fysiikasta.
6 kommenttia “Työn toinen puoli”
Vastaa
Ei vielä valoa pimeyteen
Huhtikuussa CDMS-niminen koeryhmä kertoi, että sen mittalaitteen kolmea atomia oli tönitty. Tämä saattoi johtua joko siitä, että pimeän aineen hiukkasia oli kulkenut sen läpi, tai sitten kyse oli taustakohinasta. Tiedotusvälineisiin juttu päätyi, koeryhmän erään jäsenen lehdistötiedotteen siivittämänä, siinä muodossa, että pimeä aine on havaittu 99.8% todennäköisyydellä. Väite oli harhaanjohtava: CDMS:n havainto oli kiinnostavan rajoilla, ei lähellä varmaa. Mutta oikeatkin havainnot usein alkavat pieninä vihjeinä, jotka varmentuvat uusien mittausten myötä. Jos CDMS:n tönäisyissä olisi kyse pimeästä aineesta, herkempien kokeiden pitäisi nähdä pimeä aine kirkkaasti.
Tarkempia havaintoja on nyt tehty: pimeää ainetta etsivä LUX-koeryhmä julkisti ensimmäiset tuloksensa lokakuun 30. päivä. LUX on lyhenne sanoista Large Underground Xenon, mikä viittaa siihen, että mittalaite on iso (250 kg – CDMS:än massa on vain 6 kg), sijaitsee puolentoista kilometrin syvyydessä hyvin eristettynä ja käyttää ksenonia havaintoaineenaan. Koejärjestely on samanlainen kuin CDMS:llä ja muilla pimeää ainetta suoraan etsivillä kokeilla: tarkkaillaan palaa ainetta (tässä tapauksessa säiliötä täynnä kaasua ja nestettä) ja odotetaan, töniikö pimeän aineen hiukkanen sen atomeja.
LUX ei nähnyt mitään merkkejä pimeästä aineesta: mittalaite havaitsi tönäisyjä sen verran, mitä taustakohinasta odottaakin, ei mitään ylimääräistä. (Jester ja Tomaso Dorigo kertovat asiasta tarkemmin.) LUX on isompi ja tarkempi kuin CDMS, joten jos CDMS:n havainnot olisivat olleet vihje pimeästä aineesta, LUX olisi nähnyt pimeän aineen selvästi – ainakin mikäli kyseessä olisi yksinkertaisin pimeän aineen kandidaatti.
Pimeästä aineesta ei tiedetä paljoa. Luultavasti se koostuu toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista, mutta on tusinoittain erilaisia malleja sille, millaisia nämä hiukkaset ovat. Eräs suosituimpia ehdokkaita on tavallisten hiukkasten, kuten fotonin, raskaammat supersymmetriset puolisot. Jos CDMS:n tönäisyt johtuisivat tällaisista hiukkasista, LUX olisi nuo hiukkaset löytänyt. Vaikka LUX ei anna kuoliniskua yksinkertaisimmille supersymmetriaan liittyville pimeän aineen malleille, se kuitenkin entisestään heikentää niiden uskottavuutta. Tämä sopii hyvin yhteen sen kanssa, että LHC-kiihdytin ei myöskään ole nähnyt merkkiäkään supersymmetriasta.
Mutta on muitakin pimeän aineen ehdokkaita, ja on mahdollista kehitellä kaikenlaisia selityksiä sille, miksi CDMS olisi nähnyt pimeää ainetta, mutta LUX ei. Yksi ehdotus on ksenofobinen pimeä aine, joka vuorovaikuttaa LUXissa käytettävän ksenonin kanssa heikommin kuin CDMS:ssä käytettävän piin ja germaniumin. Samalla voi yrittää selittää vielä sen, miksi koe nimeltä DAMA väittää havainneensa pimeää ainetta jo monta vuotta, mutta muut ryhmät eivät ole pystyneet toistamaan tulosta.
Oppikirjoista jälkikäteen lukiessa tieteen edistyminen vaikuttaa väistämättömän selvältä. Arvoitusta ratkaistessa on kuitenkin paljon vääriä johtolankoja, eikä ole ilmeistä mihin suuntaan pitäisi kulkea. Jos uskoo sekä LUXin että DAMAn havaintojen pitävän paikkansa, voi sanoa että on saatu selville jotain hyvin odottamatonta ja merkittävää pimeän aineen hiukkasen ominaisuuksista: se reagoi eri tavalla eri atomiydinten kanssa. Toisaalta voi arvioida, että koska kokeiden yhteensovittaminen vaatisi jotain hyvin odottamatonta, on luultavampaa, että DAMAn analyysissä on jokin merkittävä virhe, eikä sen enempää DAMA kuin CDMS ole nähnyt pimeää ainetta.
LUXin julkaisemat tulokset perustuvat ensimmäisen kolmen kuukauden havaintoihin. Vuosina 2014 ja 2015 on tarkoitus kerätä 10 kuukautta lisää dataa. On myös odotettavissa, että mittalaitteiden toiminta ymmärretään paremmin ja data-analyysi tarkentuu, joten LUXin rajat pimeän aineen ominaisuuksille tiukentuvat. On mahdollista, että pimeä aine vuorovaikuttaa juuri sen verran heikosti, että LUX ei nähnyt sitä kolmessa kuukaudessa, mutta se jää haaviin kun kuukausia saadaan kymmenen lisää. Ei kuitenkaan ole mitään erityistä syytä odottaa, että näin olisi. Mutta negatiivisetkin tulokset -sen osoittaminen, että jokin malli ei pidä paikkaansa- ovat tieteellisesti arvokkaita.
Pikku-uutinen. Neljä ja puoli vuotta uskollisesti palvellut Planck-satelliitti on saatettu viimeiseen lepoon. Planck otti vastaan viimeisen käskynsä ja sammui ikiajoiksi lokakuun 23. päivä. Osa Planckin kosmologisista havainnoista julkistettiin maaliskuussa, mutta paljon keskeistä dataa on vielä analysoimatta, ja niiden julkaisua vuonna 2014 odotetaan innolla. Seuraavat kosmologisesti kiinnostavat eurooppalaiset satelliitit ovat vuonna 2020 kiertoradalle kapuava Euclid ja ensi kuussa, joulukuun 20. päivä, matkaan lähtevä Gaia. Kirjoitan molemmista myöhemmin lisää, Gaiasta toivon mukaan ennen sen maastamuuttoa. Gaiasta on muuten mainio juttu Tähdet ja avaruus -lehden uusimmassa numerossa, 7/2013.
8 kommenttia “Ei vielä valoa pimeyteen”
-
Mika sanoo:
Kirjoitat että ”LHC ei ole nähnyt merkkiäkään supersymmetriasta”, mitä tämä tarkoittaa supersymmetriateorioiden kannalta?
-
Syksy Räsänen sanoo:
Mika:
Hyvä kysymys, ks. http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/avomerta_kohti
-
Eusa sanoo:
Eikö pimeän aineen halo voisi olla yleisen suhteellisuusteorian mukaista aineen ja tilan keskinäistä vuorovaikutusta?
-
Eusa:
Yleisen suhteellisuusteorian kuvaama aineen ja aika-avaruuden vuorovaikutus tunnetaan myös nimellä gravitaatio. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan havaitun gravitaatio selittämiseksi tarvitaan enemmän ainetta kuin mitä tavallista (eli ytimistä ja elektroneista koostuvaa) ainetta on, vaan tarvitaan lisäksi pimeää ainetta.
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Nynnyjen hautajaiset
”Hiukkasfyysikko Sidney Colemanin kanta, jonka mukaan hän luopuisi mielellään puolesta palkastaan, jos hänen ei tarvitsisi opettaa, ei liene harvinainen.”
Tulee mieleen Galileo Galilei, joka halusi muuttaa Venetsiasta Firenzeen päästäkseen eroon opetusvelvollisuuksistaan. (Asiasta enemmän vaikka Raimo Lehden mainiossa kirjassa, Ursa #69.)
Tavallaan sääli. Omien kokemuksieni mukaan (koskien signaalinkäsittelyä, elektroniikkaa ja melontaa) mistään ei opi enempää kuin omien oppilaittensa virheistä.
Minulle tulee mieleen Galileo Galileista se että hän opetti omasta mielestään virheellistä maakeskistä mallia 12 vuoden ajan, koska ymmärsi ettei hänellä ole riittävästi todisteita Aurinkokeskisen mallin puolesta.
Kuinkahan moni nykyinen fyysikko / kosmologi epäilee että pienen ja / tai ison mittakaavan maailmankuvamme maailmankaikkeudesta on virheellinen?
Ps. Galileo Galileilla itselläänkin taisi olla monesta asiasta virheellinen kuva?
Oppimisessa on hyvä erottaa virhe ja väärässä oleminen. Joskus voi tulla tehneeksi virheen, joka osoittautuukin vähemmän vääräksi kuin ”oikea” ratkaisu. Toisaalta jokainen tarkka ja toimiva kuvauskin on lopulta vajaa ja väärässä, ainakin pätevyysalueensa ulkopuolella.
Toinen oppimisessa tärkeä ulottuvuus on mallien haku. Jos onnistuu soveltamaan ja yhdistelemään luovasti aikaisempia tuntemiaan malleja uuteen tilanteeseen, voi paremmin onnistua välttämään trivialisoitumisen. Tästä esimerkkinä yleisen suhteellisuusteorian gravitaatio aineen ja tilan vuorovaikutuksena, jossa ei todellisesti ole tilaa kappaleiden väliselle suoralle vuorovaikutukselle, vaan se käy aina tilajännityskentän kautta.
Toisaalta opettamisen vaikeus on usein se, että havainnollistamisessa oma mallinnuskokemus on erilainen kuin jokaisen oppilaan; toki yleisiä esimerkkejä voi käyttää, mutta varsinkin vakavastiotettavuuteen pyrkivässä semipopulaarisuudessa voin uskoa tulevan vastaan useita sudenkuoppia.
En ole koskaan opiskellut yliopistossa enkä tiedä siitä muuta kuin julkisuuden, tv:n ja radion kautta annettujen lyhytluentojen perusteella, mutta jotain arvioitani matematiikkaan, yhtälöihin / opettamiseen ja tutkimiseen kuitenkin muodostunut ja niistä lyhyesti.
Ensin kuitenkin tervehdys aamuisesta keskustelustasi Yle Puheen kanavalla klo 9 jälkeen noin 25 minuuttia, jossa kerrattiin opetustasi, kosmologian tutkimusta ja taiteellista osallistumistasi… Haastattelussa radiotoimittaja teki tavanomaisen viittauksen katseeseesi ylemmäs – kun lienee itse ollut hieman hakusessa miten asiantuntevasti kyselyään jatkaisi. Lopussa nousi esille myös yleisemmin ”oikeudenmukaisuus”, joka sekin toisinaan eksyy harhaan pitäytyessään liiaksi päätäntävallan näkökohdissa. Suomen kielessä vääristymää ”pahoittelu” -sanaan, joka perimmiltään on pahan ilmaisua – sopivampaa olisikin virheeseen anteeksi pyytää ja ”hyvitellä” – johon anteeksi anto ja korjaustoimenpiteet sopii.
Opetuksesta siis, se antaa myös tutkijalle mahdollisuutta oppia uutta opetettaviensa kanssa ja moni huippututkija onkin saanut parhaimmat tuloksensa esille ryhmätyöskentelyssään nuorempiensa (ikäistensä ja vanhempienkin) kanssa. Matematiikassa on perimmiltään kyse vain yhteen- ja vähennyslaskuista, joihin on kehitetty pidemmälle vietyjä yhtälöitä ja niiden selkeä esille tuonti helpottaa ymmärtämään, jakamaan tehtävät osiinsa ja tekemään entistä tarkempia malleja käytäntöön (muistiin ei kaikkea saa päällimmäiseksi ja käytäntö ja kokemus kaikessa helpottaa omaksumista).
Taiteellinen työsikin hyväksi, josta monipuolisuutta. En harrasta astrologiaa (”huuhaana” pelättyä), mutta niilläkin parhaimmillaan tarkkaa se taivaankappaleiden seuranta (vaikka päätelmät ovatkin ns. hatusta vedettyjä). Astronomian puolella kosmologian opetus- ja tutkimustyöhösi hyvää jatkoa.
Moi Syksy. Onnitteluni Talvisirkus Kosmoksen ensiesityksestä. Olit mukana käsikirjoittamassa sitä.
Minua kiinnostaa se, että saitteko kuvailtua superjoukkojen toisistaan loittonemisen ilman liikettä?
Käsittääkseni nykyisten teorioiden mukaan galaksijoukkojen muodostamat isommat joukot loittonevat toisistansa liikkumatta toisistansa pois päin.
Vaikuttaa aika vaikealta asialta kuvata sitä tanssivien ihmisten avulla jotka liikkuvat tilassa?
IkuinenRakkaus:
Galaksien liikkeissä tätä ei ole yritetty tuoda ilmi, alkumaailmankaikkeuden laajenemisen yhteydessä kyllä. Siitä miten se tehtiin en tässä kerro, sen näkee esityksessä!