Arkisto
- syyskuu 2023
- elokuu 2023
- kesäkuu 2023
- 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
- 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
- marraskuu 2013
- lokakuu 2013
- syyskuu 2013
Voimalinjojen siemenet
Eräs maailmankaikkeuden silmiinpistävimpiä piirteitä on se, että siinä on rakenteita hyvin pienestä äärimmäisen isoon mittakaavaan. Galaksien superryppäiden tyypillinen koko on kymmenen miljoonan valovuoden luokkaa, ja isoin tunnettu rakenne on miljardin valovuoden pituinen galaksirihma Sloan Great Wall, joka on nimetty Sloan Digital Sky Surveyn mukaan. Rihman itse asiassa näki ensin havaintoprojekti 2dFGRS, mutta he eivät keksineet nimetä sitä.
Lisäksi niidenkään galaksien, jotka eivät kuulu isompiin rakenteisiin, sijainnit eivät ole riippumattomia toisistaan. Galaksit eivät ole syntyneet maailmankaikkeuteen tasaisesti sinne tänne, vaan niiden jakaumalla on tarkka muoto.
Paras selitys tämän rakenteen alkuperälle on kosminen inflaatio. Inflaatioidean mukaan maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla kenttä nimeltä inflatoni täytti koko avaruuden. Inflatoni kiihdytti avaruuden laajenemista, mikä puolestaan venytti inflatonin kvanttivärähtelyjä kosmisiin mittoihin ja jäädytti ne paikalleen. Nämä inflatonin epätasaisuudet ovat sittemmin olleet galaksien ja muun rakenteen siemeniä.
Näkyvien galaksirihmastojen, ja niiden taustalla olevan pimeän aineen, lisäksi maailmankaikkeudessa on isoja rakenteita, jotka eivät koostu aineesta, vaan magneettikentistä. Magneettikenttien linjat ulottuvat valovuosista suurimpaan havaittavaan mittakaavaan, kymmeniin miljardeihin valovuosiin. (Olen aiemmin kirjoittanut, että miljoonaa valovuotta isompia magneettikenttiä ei havaittu. Tutustuttuani aiheeseen enemmän olen sitä mieltä, että se oli ehkä turhan varovainen arvio, vaikka havainnoista kiistelläänkin vielä.)
Galaksien magneettikentät ovat noin miljoona kertaa Maapallon magneettikenttää heikompia, mutta kosmisessa mittakaavassa ne ovat aika voimakkaita. Ne ovat vahvistuneet samalla tavalla kuin Maapallonkin magneettikenttä. Sähkövaraukset synnyttävät sähkökenttiä, ja pyörteiset sähkökentät synnyttävät magneettikenttiä. Maapallon metalliytimessä kiertävät sähkövirrat saavat aikaan magneettikenttiä, ja niissä liikkuvat sähkövaraukset synnyttävät lisää sähkövirtoja, jotka taas vahvistavat magneettikenttiä. Samalla tapaa galaksien pyöriminen voimistaa niiden magneettikenttiä. Galakseissa ei kuitenkaan ole samanlaisia isoja sähkövirtoja kuin Maapallon ytimessä, joten on epäselvää, mistä niiden magneettikentät ovat saaneet alkunsa.
Vielä hankalampi on selittää sitä, että magneettikenttiä on löydetty myös galaksien välisestä avaruudesta, miljardien valovuosien pituudelta. Ne ovat paljon galaksien kenttiä heikompia, ei tiedetä tarkalleen kuinka paljon: ainakin tuhat kertaa, kenties jopa sata miljoonaa kertaa heikompia. Suurimmillaan ne olisivat sattumoisin yhtä vahvoja kuin ihmisen aivojen magneettikentät. Ensi silmäyksellä yksinkertaisin selitys näille kentille olisi se, että ne ovat vuotaneet galakseista. Näitä isokokoisia magneettikenttiä vaikuttaa kuitenkin olevan jo melko varhaisessa maailmankaikkeudessa, ja on vaikea selittää sitä, miten ne olisivat ehtineet muodostua galakseissa ja valua ulos tarpeeksi nopeasti.
Eräs mahdollinen selitys on se, että galaksienväliset magneettikentät ja galaksien alkumagneettikentät eivät ole syntyneet sähkökentistä, vaan tyhjästä. Jos galaksien siemenet ovat syntyneet inflaation aikana kvanttifluktuaatioista, niin ehkä sama pätee magneettikenttiin? Tämä selittäisi magneettikenttien ison koon: ne ovat venyneet inflaation aikana.
Ongelmana on kuitenkin se, että magneettikentän kvanttifluktuaatiot käyttäytyvät laajenevassa avaruudessa eri tavalla kuin inflatonin. Kvanttifluktuaatioita on koko ajan kaikkialla, mutta arkioloissa ne ovat hyvin pieniä ja lyhytkestoisia. Kiihtyvä laajeneminen venyttää inflatonin värähtelyt kosmisiin mittoihin ja jäädyttää ne paikalleen. Näin pienestä värähtelystä syntyy mittavia epätasaisuuksia. Sähkömagneettinen kenttä käyttäytyy toisin: sen värähtelyt eivät jäädy paikalleen, ne vain jatkavat pomppimista ylös ja alas, vaikka avaruus kuinka laajenisi.
Jos tunnetut fysiikan lait eivät tuota haluttua tulosta, niin voi keksiä uusia. Magneettikenttien esimerkiksi ei odottaisi vuorovaikuttavan inflatonin kanssa, koska inflatonilla ei ole sähkövarausta. Jos kuitenkin muuttaa fysiikan lakeja siten, että magneettikentät kytkeytyvät suoraan inflatoniin tarvitsematta sähkövarausta, niin inflatoni antaa niille lisäpotkua, ja niiden kvanttivärähtelyt muuttuvat siten, että ne voivat synnyttää havaitut magneettikentät – ehkä.
Tässäkin on ongelmansa. Yksi on se, että kvanttivärähtelyt eivät synnytä vain magneettikenttiä, vaan myös sähkökenttiä, ja niistä tulee helposti liian voimakkaita. Toinen ongelma on se, että kun inflatoni antaa pontta magneettikentille, ne helposti rupeavat vuorovaikuttamaan sähköisesti varattujen hiukkasten kanssa liian voimakkaasti, jolloin tapahtumien seuraaminen muuttuu hyvin hankalaksi.
Itse työstän yhteistyökumppanieni kanssa artikkelia, jossa luulimme hetken keksineemme tavan välttää yllämainitut ongelmat. Olemme kuitenkin päätyneet vain toteamaan, miten vaikeaa se on, ja kaventamaan entisestään ratkaisun mahdollisuuksia.
10 kommenttia “Voimalinjojen siemenet”
Vastaa
Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä
Puhun tiistaina 10.5. kello 17 aiheesta ”Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä”. Tiivistelmä on seuraava:
Kosminen mikroaaltotausta on maailmankaikkeuden vanhinta valoa. Se kantaa viestiä kosmisesta inflaatiosta, joka on maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin aikana tapahtunut kiihtyvän laajenemisen vaihe, jossa kaiken rakenteen siemenet syntyivät. Helsingin yliopiston Planck-tutkimusryhmä on mukana tekemässä lopullista analyysiä Planck-satelliitin havainnoista kosmisesta mikroaaltotaustasta. Samaan aikaan teoreetikot laskevat, mitä kosmisessa mikroaaltotaustassa ja hiukkaskiihdyttimissä pitäisi näkyä, jos inflaatiosta on vastuussa Higgsin hiukkaseen liittyvä Higgsin kenttä.
Tilaisuudessa puhuvat ajankohtaisista tutkimusaiheista myös Markku Sipilä (ilmakehätieteet), Emilia Kilpua (avaruusfysiikka), Leena Järvi (ilmakehätieteet) ja Tomas Kohoult (geofysiikka). Esitykset ovat noin 15 minuutin mittaisia, ja niiden kuvauksen näkee tapahtuman sivulta. Siellä voi myös ilmoittautua tapahtumaan; viimeinen ilmoittautumispäivä on 5.5.. Tilaisuus on suunnattu erityisesti tiedetoimittajille, mutta se on avoin kaikille; tilaisuus on ilmainen.
Yksi kommentti “Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä”
Vastaa
Kvanttirikko
Mainitsin kolmisen vuotta sitten, että peliyhtiö Remedy oli konsultoinut minua peliinsä Quantum Break liittyen. Viime viikolla peli ilmestyi (traileri on tällainen), samoin kun siihen liittyvä Cam Rogersin kirja Quantum Break: Zero State.
Aikamatkustus ja ajan manipulointi on pelissä keskeistä, ja kirjoittajat halusivat perustaa fiktionsa faktoihin. Niinpä he pyysivät minut kertomaan ajan fysiikasta ja aikamatkustuksesta. (Pelin ohjaaja Sam Lake kommentoi aihetta vähän täällä.) Kerroin heille kahtalaisesta ymmärryksestämme ajasta, vähän samoin kuin mistä olen täällä kirjoittanut. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika-avaruus on muuttumaton ja ajaton kokonaisuus. Toisaalta kvanttimekaniikan mukaan menneisyys on kiinnitetty, mutta tulevaisuutta ei ole määrätty, ja on olemassa erityinen tapahtumisen hetki.
Peli ei pyri olemaan tieteellisesti tarkka, mutta siinä on pidetty kiinni ajatuksesta, että menneisyyttä ei voi muuttaa. Minusta on myös hauskaa, että pelissä aikamatkustus toimii siten, että kierretään aikakonetta ympäri. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan tarpeeksi nopeasti pyörivässä avaruudessa voi todella matkata ajassa taaksepäin, jos kulkee sopivassa paikassa oikeaan suuntaan. (Ei tiedetä, kuvaako tämä teorian piirre todellisuutta.)
Fysiikasta puhumisessa alan ulkopuolisille on se mukava puoli, että tulee katsoo tuttuja asioita uudesta näkökulmasta. Samasta syystä oli hauskaa tavata pelin kirjoittajia ja ideoida fysiikkaa sen kannalta, mikä toimii pelissä.
Pelin kirjoittajat myös halusivat Quantum Breakiin aikamatkustusta koskevan laskun, jossa on virhe, jonka eräs henkilöistä voi korjata. Yhtälön vilahdus pelissä näyttää tältä. Kyseessä on ihan oikea lasku, ja koska käytin hetken aikaa sen setvimiseen, päätin laittaa myös yleisen suhteellisuusteorian kurssin tehtäväksi. Tämä onkin ensimmäinen kerta, kun luennoimani kurssin laskuharjoituksissa on ollut aikamatkustukseen liittyvää tuotesijoittelua.
4 kommenttia “Kvanttirikko”
-
Nämä pelimiehet esittelivät vanhaa ideaa ajan kvantittumisesta eli chronokentistä ja chronopartikkeleista. Chrononistakin löytyy googlettamalla paljon. Ovatko mielestäsi chrononit toistaiseksi täydellistä toymodell tasoa?
“We had discussions and brainstorming sessions as well, around the Higgs field, the Higgs boson and how that relates to the idea of gravity; how, in theory, there could be a similar field and particle that is tied to time. From that we got our idea for chronofields and chronoparticles, which are based on the scientist in the story, called Meyer-Joyce fields and particles.”
https://en.wikipedia.org/wiki/Chronon
http://arxiv.org/abs/quant-ph/9706059
http://tao.cgu.org.tw/index.php?id=196
http://tao.cgu.org.tw/index.php?id=196 -
Niin tarkoitit ilmeisesti näitä Penrosen mikroputkia:
http://www.science20.com/news_articles/quantum_vibrations_evidence_theory_consciousness-127866
http://www.kurzweilai.net/discovery-of-quantum-vibrations-in-microtubules-inside-brain-neurons-corroborates-controversial-20-year-old-theory-of-consciousness
Voivatko ulottuvat magneettikentät johtua siitä, että kuitenkin aine ja antiaine vaihtelisivat vuorottain kaikkeuden rakenteissa?
Eusa:
Ei. Näkemämme rakenteet koostuvat aineesta, eivät antiaineesta. Jos osa niistä koostuisi antiaineesta, niin näkisimme gammasäteilyä sieltä, missä aine ja antiaine kohtaavat ja annihiloituvat.
(Vähän tällaista säteilyä nähdään paikoista, missä syntyy pieniä määriä antiainetta, kuten pulsarien läheisyydessä.)
http://arxiv.org/pdf/1603.01169v2.pdf
http://arstechnica.com/science/2015/03/surprising-gamma-ray-signal-in-satellite-galaxy-could-come-from-wimps/
Lisääntyvissä määrin saadaan annihilaatioihin sopivia gammasäteilyhavaintoja, joiden alkuperä on arvailujen varassa. Vaikka INTEGRAL onkin herkempi kuin aiemmat ilmaisimet, sen herkkyys ei riitä havaitsemaan annihilaatiomerkkejä varhaisista galaksiytimistä suuremmalla kuin sigma 1 -tasolla, saati kvasaareista. Vaaditaan uuden sukupolven herkkyydeltään parannettujen soft-ray -spektrometrien ja millimetriluokan aaltojen VLBI-vastaanottimien tarkkuutta jotta päästään eroon merkittävistä rajoituksista positronisisällön tunnistamiseksi aktiivisten galaksiydinten suihkuissa (tai elektronisisältöä antigalakseissa).
Onhan oletettavaa, että meidän on tutkittava varhaista kaikkeutta, koska myöhemmät vaiheet olisivat ilmeisen luonnollisesti tasapainottaneet ratadynamiikat niin, että annihilaatioita tapahtuisi enää harvakseltaan.
Intergalaktisten magneettikenttien arvoitus on kyllä kaikkien tutkimuspanosten arvoista. Hienoa, että olette onnistuneet kaventamaan mahdollisuuksien kenttää.
Eusa:
Nuo ovat juuri sitä vähäistä säteilyä, johon yllä viittasin. Jos olisi olemassa (tai olisi näkyvässä maailmankaikkeudessa ollut olemassa) antiaineesta koostuvia rakenteita, niin gammasäteilyä tulisi valtavan paljon enemmän.
Kiitos vastauksista!
Voimakas aineen ja antiaineen keskittyminen ja vain vähäinen sekoittuminen voisivat selittää puuttuvaa gammasäteilyä, jos annihilaatioprosessit kuitenkin osoittautuvat sinänsä yleiseksi ilmiöksi – tai sitten pimeä aine on hiukkasia ja harrastaa annihiloitumista jollain tavoin peräti elektroni-positroni-taajuudella.
Eusa:
Ei voisi selittää. Jos antiainerakenteita olisi olemassa, niin näkyisi paljon havaittua enemmän gammasäteilyä.
Tämä riittäköön tästä.
Jäin miettimään tuota sanavalintaasi: ”Suurimmillaan ne olisivat sattumoisin yhtä vahvoja kuin ihmisen aivojen magneettikentät.”
Tarkoititko tuolla ”sattumoisin” jotain?
Miguel:
Sitä, että kyseessä on sattuma.
Terve, Syksy
Voisitko hieman selittaa mita tarkoitetaan tuolla magneettikenttien ”vuotamisella” tai ”valumisella” galakseista?
Terveisia kollegallesi Kimmo T:lle (vanha opiskelukaveri 😉
MV:
Galakseista virtaa ulos varattuja hiukkasia, esimerkiksi supernovaräjähdyksistä syntyvien tuulien myötä, ja nämä kuljettavat mukanaan magneettikenttää.