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
• 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
• marraskuu 2013
• lokakuu 2013
• syyskuu 2013

---

Totalitaristinen periaate ja vanhan ajan romantiikka

20.12.2016 klo 11.09, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin viime viikolla Kiotossa konferenssissa Hidden Sector Physics and Cosmophysics, joka käsitteli aksioneja. Aksionit ovat spekulatiivisia erittäin kevyitä ja erittäin heikosti vuorovaikuttavia hiukkasia, ja ne ovat eräs ehdokas pimeäksi aineeksi. Olen aiemmin kirjoittanut siitä, miten kolmen steriilin neutriinon lisääminen on luonteva tapa laajentaa Standardimallia. Aksionit ovat toinen suoraviivainen Standardimallin täydennys.

Aksionien taustalla on Murray Gell-Manin totalitaristinen periaate: ”kaikki mikä ei ole kiellettyä, on pakollista”. Tämä tarkoittaa sitä, että hiukkasfysiikan teorioita muotoillaan siten, että ensin päätetään, millaisia hiukkasia ja symmetrioita niissä on, ja sitten otetaan mukaan kaikki symmetrioiden sallimat vuorovaikutukset hiukkasten välillä. Kvanttikenttäteorian rakenne on hyvin rajoittava (eli hyvin ennustusvoimainen), eikä mahdollisia vuorovaikutuksia yleensä ole kuin kourallinen.

Standardimalli melkein toteuttaa totalitaristisen periaatteen, poikkeuksena on vain yksi värivoimaa välittävien gluonien vuorovaikutus. Teorian symmetriat sallivat tämän vuorovaikutuksen, mutta havaintojen mukaan sitä ei ole, tai ainakin se on erittäin pieni. Aksioni on esitetty vuonna 1977 selittämään, miksi näin on. Idea on samankaltainen kuin Higgsin mekanismissa, missä Higgsin kenttä vuorovaikuttaa hiukkasten kanssa siten, että ne käyttäytyvät kuin niillä olisi massa. Aksionien tapauksessa aksionikenttä vuorovaikuttaa gluonien kanssa siten, että ne käyttäytyvät kuin niillä ei olisikaan tuota yhtä vuorovaikutusta. Kun Standardimalliin lisää aksionin, se toteuttaa totalitaristisen periaatteen.

Sittemmin on kehitetty myös muita ideoita samantapaisista hiukkasista, esimerkiksi säieteoriassa on useita kenttiä, jotka käyttäytyvät aksionin tavoin. Kutsun tässä näitä kaikkia samaan ideaperheeseen kuuluvia hiukkasia nimellä aksioni – tarkempaa olisi sanoa Standardimallin ongelman ratkaisevaa hiukkasta aksioniksi ja muita aksioninkaltaisiksi hiukkasiksi.

Kuten supersymmetria, tekniväri ja jokseenkin kaikki muutkin merkittävät ideat Standardimallin laajentamisesta, aksioni on 70-luvun lapsi, ensi vuonna se täyttää neljäkymmentä. Mitään havaintoja aksioneista ei vielä ole, mutta mielenkiinto niihin on viime aikoina kasvanut, koska sen enempää korkeita energioita luotaava LHC kuin raskasta pimeää ainetta suoraan etsivät kokeet eivät ole löytäneet uusia hiukkasia. Tämän takia huomio kääntyy enemmän siihen mahdollisuuteen, että Standardimallin tuonpuoleinen fysiikka ei ole piilossa siksi, että uudet hiukkaset olisivat raskaita, vaan siksi, että ne vuorovaikuttavat heikosti.

Steriilit neutriinot ovat yksi esimerkki, niistä kevyimmän massa saattaisi olla noin sadasosa elektronin massasta. Aksionit ovat äärimmäisempiä: sellaisen massa saattaa olla vain 10^(-28) elektronin massa. Tämä on suunnilleen sama kuin hiekanjyvän ja Maapallon massojen suhde. Aksionit voivat olla myös vähemmän kevyitä, 10^(-12) kertaa elektronin massaisia. Se, että aksionien mahdollinen massa (ja niiden vuorovaikutusten voimakkuus) kattaa niin ison alueen, tekee niistä vaikeasti löydettäviä, mutta siihen on keksitty erilaisia konsteja, joissa mainitsen tästä jokusen.

Magneettikentissä aksionit sekoittuvat fotonien kanssa. Niinpä aksioneja etsitään katsomalla, hohtaako valo seinän läpi. Kokeessa osoitetaan laserilla seinää magneettikentän ollessa päällä ja katsotaan näkyykö toisella puolella valoa. Jos aksioneja on olemassa, jotkut fotonit muuttuvat magneettikentässä aksioneiksi, matkaavat seinän läpi ja muuttuvat siellä takaisin fotoneiksi. Muuttumisen todennäköisyys riippuu herkästi aksionin massasta, joten kokeissa täytyy käydä erilaisia massavaihtoehtoja läpi yksi kerrallaan, mikä on hidasta puuhaa, ja eri massoille tarvitaan erilaisia koelaitteita.

Jos aksionit ovat pimeää ainetta, niitä on kaikkialla valtavia määriä. Pimeän aineen massatiheys Aurinkokunnassa tiedetään, joten mitä kevyempi aksioni on, sitä enemmän niitä on. Pienimmän mahdollisen massan tapauksessa meidän jokaisen kehon sisällä on noin 10^(38) aksionia. Niinpä vaikka yksittäisen aksionin vuorovaikutus on heikko, sitä paikkaa valtava lukumäärä.

Eräs lempipuheistani Kioton konferenssissa oli Yoshizumi Inouen esitys hänen ja kolmen kollegan etsinnöistä, joissa he käyttivät vanhaa antennia ja muita uusiokäytettyjä (osin roskalavalta löydettyjä) komponentteja pimeän aineen etsimiseen. Idea on se, että jos pimeä aine sekoittuu fotonien kanssa vähän, niin tavallinen antenni tai peili heijastaa pimeää ainetta vähän, joten sitä voi suunnata antennin avulla valon tai muun sähkömagneettisen säteilyn havaitsemiseen tarkoitettuun halpaan laitteeseen. Laitteisto kokonaisuudessaan maksoi kuulemma parituhatta euroa, mutta sulki silti pois tietynmassaiset ja tietyllä voimakkuudella vaikuttavat aksionit, mihin mikään muu koe ei ollut aiemmin pystynyt. Minulle tuli mieleen romanttiset ajat, jolloin hiukkasfysiikan kokeita saattoi tehdä muutama ihminen parissa kuukaudessa. Olisi jotenkin runollista, jos Inouen ja kumppanien nyrkkipajakoe olisi löytänyt pimeän aineen hiukkasen miljoonia tai miljardeja maksaneiden, tuhansien tutkijoiden huolella koordinoitujen hankkeiden sijaan.

Pieni massa johtaa myös kiinnostaviin kosmologian ja astrofysiikan ilmiöihin. Mitä pienempi hiukkasen massa on (kunhan se ei ole nolla), sitä isompi on siihen liittyvä aallonpituus. Aksionien massa voi olla niin pieni, että aallonpituus on tähtitieteen mittaluokkaa. Aksionit eivät voi muodostaa aallonpituuttaan pienempiä klimppejä, koska niiden paikka ei kvanttimekaniikan mukaan voi olla aallonpituutta tarkemmin määrätty. Jossain mielessä voi sanoa, että hyvin kevyet aksionit eivät ole pieniä hiukkasia, vaan tuhansien valovuosien kokoisia. Tämän on ehdotettu selittävän sitä, että galakseissa näkyy odotettua vähemmän pienen mittakaavan rakennetta, kuten pieniä satelliitteja Linnunradan ympärillä. (Näyttää tosin siltä, että asia selittyy ilmankin aksioneja.)

Vielä eksoottisempi mahdollisuus on se, että mustien aukkojen ympärillä olisi aksioneista muodostunut kehä. Aksionikehä saattaisi imeä aukosta energiaa ja loistaa kirkkaana. Voisi jopa olla mahdollista, että jotkut mustiksi aukoiksi tulkitut havainnot voisi selittää kokonaan tällaisten aksionitähtien avulla, ilman mustia aukkoja. Yksi tapa testata näitä ideoita on laskea millaisia ovat mustien aukkojen, tai aksionitähtien, törmäyksistä syntyvät gravitaatioaallot ja verrata niistä tehtäviin havaintoihin, joita on tulossa paljon lisää.

Kekseliäiden koejärjestelyjen avulla vaikeasti tavoitettavat aksionit lähitulevaisuudessa joko löytyvät tai ne osoitetaan olemattomiksi: viimeistään 15 vuoden kuluttua asiasta pitäisi olla varmuus. On myös hauskaa, miten vanhaan ideaan on saatu tuoreita näkökulmia mustien aukkojen kautta, kun yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisemisessa tietokoneilla on edistytty ja gravitaatioaaltojen yksityiskohtiin on päästy käsiksi.

---

Eroon suuresta järjettömyydestä

8.12.2016 klo 10.04, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Jatkan poimintoja kurssin Fysiikkaa runoilijoille aiheista. Kirjoitin aiemmin klassisen taivaanmekaniikan paljastamasta uudesta kauneudesta sekä suppean suhteellisuusteorian syrjäyttämästä eetteristä esimerkkinä järkevistä mutta vääristä suunnista. Nyt on vuorossa yllättävät vastaukset yleiseen suhteellisuusteoriaan johtaneisiin yllättäviin kysymyksiin.

Kun käy fysiikan historiaa läpi järjestyksessä, on silmiinpistävää, kuinka monasti järkevät ja perustellut ideat, kuten eetteri, ovat olleet täysin väärin. Usein havainnot ovat vieneet oikeille jäljille, ja teorioita on kehitetty tiiviissä vuorovaikutuksessa kokeiden kanssa. Yleinen suhteellisuusteoria on tässä suhteessa poikkeuksellinen, koetuloksilla ei ollut sen rakentamisessa ratkaisevaa merkitystä. Sen sijaan se on hyvä esimerkki siitä, miten oikeaan vastaukseen vievät vihjeet ovat joskus yhtä aikaa sekä kaikkien nähtävissä että vaikeasti ymmärrettävissä.

Isaac Newtonin vuonna 1687 esittämän klassisen gravitaatioteorian mukaan kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Tämä yksinkertainen laki on tarkemmin mietittynä hieman kummallinen: mistä kappale tietää, missä muut kappaleet ovat? Kun planeetta miljardien valovuosien päässä siirtyy radallaan, niin Newtonin gravitaatiolain mukaan sen aiheuttama voima muuttuisi täällä välittömästi.

On kaksi vaihtoehtoa: joko kappaleiden välillä on jonkinlainen niiden luonteelle ominainen kaukovaikutus, jolle ei ole sen kummempaa selitystä, tai sitten jokin välittää tietoa kappaleelta toiselle. Newton itse kirjoitti, että ajatus siitä, että gravitaatio olisi aineen sisäinen ominaisuus

”on niin suuri järjettömyys, että en usko kenenkään filosofisissa asioissa pätevän ajattelijan voivan siihen ikinä langeta. Gravitaatiolla täytyy olla välittäjä, joka toimii jatkuvasti tiettyjen lakien mukaan; mutta sen, onko tämä välittäjä aineellinen vai aineeton, olen jättänyt lukijoideni harkittavaksi.”

Lukijoiden harkintakyky ei vastannut Newtonin toiveita, ja hänen tuomitsemastaan kannasta tuli fysiikan valtavirtaa yli kahdensadan vuoden ajaksi. Viimeistään vuonna löydetty 1905 suppea suhteellisuusteoria kuitenkin vaati muutosta asiaan. Suhteellisuusteorian mukaan tieto kulkee korkeintaan valonnopeudella, joten kappaleet eivät voi tietää toistensa paikkojen muutoksesta heti, ainoastaan viiveellä.

Newtonin gravitaatiolaki muistuttaa sähköopista tuttua Coulombin lakia, jonka mukaan sähkövarausten välinen voima on kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Maxwellin sähkömagnetismi selitti, että sähkövaraus ei suoraan vedä toisia puoleensa. Sen sijaan varaus synnyttää sähkökentän, joka vaikuttaa muiden varausten liikkeeseen. Kun varaus liikkuu, sen synnyttämä sähkökenttä muuttuu, ja kentän muutos etenee valonnopeudella. Kun varaukset ovat lähellä ja liikkuvat hitaasti, niiden välinen voima on suunnilleen Coulombin lain mukainen, mutta se ei päde yleisesti.

Tätä voi pitää vihjeenä gravitaation luonteesta: entä jos gravitaatioon liittyy jokin kenttä, jonka muutokset etenevät valonnopeudella? Tätä polkua seurasi suomalainen fyysikko Gunnar Nordström, joka esitti vuonna 1913 ensimmäisen suppean suhteellisuusteorian kanssa sopusoinnussa olevan gravitaatioteorian. Siinä massat saavat aikaan kentän, jonka muutokset välittävät gravitaatiota, hieman sähkömagnetismin tapaan. Nordströmin teoria oli yksinkertainen, elegantti ja väärä.

Albert Einstein kulki eri reittiä. Hän oli ottanut vaarin siitä, että kaikki kappaleet liikkuvat samalla tavalla gravitaatiokentässä, toisin kuin sähkökentässä. Tämä oli hyvin tunnettu havainto, jolle ei ollut kunnollista selitystä, mutta joka toisaalta ei ollut ristiriidassa minkään muun asian kanssa, joten ei ollut ilmeistä, pitäisikö siitä olla huolissaan. Einstein kuitenkin päätteli siitä, että gravitaatio on aika-avaruuden ominaisuus, ei mikään siinä oleva kenttä. Tämä idea vaati perusteellisempaa uudelleenajattelua kuin Nordströmin ehdotus, ja sen täsmällinen ilmaiseminen yleisen suhteellisuusteorian muodossa kesti kahdeksan vuotta, päättyen vuonna 1915.

Yleisen suhteellisuusteorian ja Nordströmin teorian välisen kilvan ratkaisi vuoden 1919 auringonpimennyksen aikana mitattu valon taipuminen. Nordströmin teorian mukaan gravitaatio ei vaikuta valoon, mutta yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaatio vaikuttaa kaikkeen mitä aika-avaruudessa on. Havaintojen mukaan valo taipui, ja yleisen suhteellisuusteorian riemuvoitto raportoitiin lehtien etusivuilla.

Vastaus Newtonin avoimeksi jättämään kysymykseen siitä, onko välittäjä ”aineellinen vai aineeton” oli täysin odottamaton: gravitaatiota välittää aika-avaruus itse. Yleinen suhteellisuusteoria samalla ennusti, että kuten sähkömagneettisessa kentässä voi olla aaltoja, niin aika-avaruudessa itsessään voi olla aaltoja, gravitaatioaaltoja. Ne ovat osoitus gravitaation välittäjästä, siitä, että Newtonin ”suuresta järjettömyydestä” on päästy eroon. Gravitaatioaaltojen näkemisessä kesti kauan, ensimmäinen suora havainto ilmoitettiin vasta viime helmikuussa. Newtonin kysymykseen vastaaminen myös osoitti, että kappaleiden välinen näennäinen vetovoima ja gravitaatioaallotkin ovat vain pieni osa gravitaation rikkaasta ilmiömaailmasta, ja avasi oven kosmologialle, eli maailmankaikkeuden historian ymmärtämiselle.