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
- 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
- marraskuu 2013
- lokakuu 2013
- syyskuu 2013
Kuusikon uudet seikkailut
Pimeä aine on yksi kosmologian neljästä eturivin ongelmasta. (Muut ovat kosminen inflaatio, kiihtyvä laajeneminen –jonka takana on kenties pimeä energia– ja baryogeneesi.)
Vaikka pimeää ainetta voi vielä järkevästi epäillä, se on yksinkertaisin selitys monille havainnoille, ja on ennustanut paljon oikein. Niinpä pidetään luultavana, että pimeää ainetta on olemassa. Keskeinen kysymys on se, mistä pimeä aine tarkalleen koostuu.
Havaintojen perusteella pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat heikosti valon kanssa (eli ovat näkymättömiä), elävät kauan (selvästi maailmankaikkeuden ikää kauemmin) ja liikkuvat paljon valonnopeutta hitaammin. Lisäksi tiedetään, että pimeä aine on noin 80% maailmankaikkeuden ainesisällöstä, loput on tavallisia ytimiä ja elektroneja.
On olemassa satoja malleja sille, millaisista uusista hiukkasista on kyse: olen aiemmin kirjoittanut supersymmetrisistä partnereista, oikeakätisistä neutriinoista ja aksioneista. Eräs yksinkertaisuudessaan sykähdyttävä vaihtoehto on se, että pimeä aine rakentuisikin tunnetuista hiukkasista, nimittäin Standardimallin kvarkeista.
Tavallisen aineen atomiytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, jotka puolestaan muodostuvat up– ja down-kvarkeista. Koska pimeä aine ei havaintojen mukaan juuri vuorovaikuta valon kanssa, sen hiukkasilla ei voi olla sähkövarausta. Jos pimeän aineen hiukkanen olisi atomiydin, sen pitäisi kasautua kokonaan neutroneista. Tällaiset atomiytimet eivät kuitenkaan ole stabiileja: yksinäinen neutroni hajoaa 15 minuutissa, useampien kokoelma sekunnin murto-osassa.
Pitkäikäisyyttä on vaikeaa saavuttaa. Tyypillisesti hiukkaset ovat nimittäin epästabiileja: pitää olla jokin erityinen syy, joka estää hiukkasta hajoamasta.
Esimerkiksi elektroni on stabiili siksi, että se on kevyin hiukkanen, jolla on sähkövaraus. Koska energia ja sähkövaraus säilyvät, ei ole mitään mihin elektroni voisi hajota. Protoni puolestaan on stabiili, koska se on kevyin hiukkanen, jolla on baryoniluku. Baryoniluku laskee, kuinka monta kvarkkia miinus antikvarkkia on olemassa. Jokaisella kvarkilla on baryoniluku +1/3 ja antikvarkilla -1/3. Kuten sähkövaraus, baryoniluky säilyy: aina kun syntyy yksi kvarkki, pitää syntyä yksi antikvarkki. Protonissa ja neutronissa on molemmissa kolme kvarkkia, eli niiden baryoniluku on +1.
Yhdistelmähiukkaset voivat olla stabiileja, jos niiden osaset ovat niin niin tiukasti sitoutuneita, että kokonaisuuden massa on pienempi kuin mikä tahansa saman baryoniluvun ja sähkövarauksen omaavien kevyempien ytimien kokoelma. Esimerkiksi helium-4-ytimessä on kaksi protonia ja kaksi neutronia, jotka ovat niin vahvasti kytköksissä, että ytimen massa on pienempi kuin kahden erillisen protonin ja neutronin (tai kahden deuterium-ytimen, tai muiden mahdollisten yhdistelmien) yhteenlaskettu massa. Koska helium-4:n baryoniluku on +4, ei siis ole mitään mihin se voisi hajota: joko baryoniluku ei säilyisi tai energia ei säilyisi.
Vanhastaan tunnettuja kvarkeista koostuvia hiukkasia ovat baryonit (kuten protoni ja neutroni), joissa on kolme kvarkkia, ja mesonit, joissa on yksi kvarkki ja yksi antikvarkki. Hiljattain LHC:ssä ja muissa kiihdyttimissä on kuitenkin nähty tetrakvarkkeja, joissa on kaksi kvarkkia plus kaksi antikvarkkia, sekä pentakvarkkeja, joissa on neljä kvarkkia ja yksi antikvarkki. Ne ovat ainesosasiaan raskaampia ja siksi epästabiileja, mutta kuusi kvarkkia sisältävä heksakvarkki voisi olla tarpeeksi kevyt.
Stabiilin heksakvarkin rakentamiseksi pitää mennä up- ja down-kvarkkeja edemmäksi kalaan. Standardimallissa on myös kvarkit strange, charm, top ja bottom. Charm, top ja bottom ovat niin raskaita, että niistä ei ole toivoa pistää kasaan tarpeeksi kevyttä hiukkasta. Mutta kaksi uppia, kaksi downia ja kaksi strangea voisi olla voittorivi. Jos ne ovat tarrautuneet tarpeeksi tiukasti yhteen, yhdistelmän massa voisi laskea alle kahden neutronin (ja muiden mahdollisten hajoamistuotteiden) massan alle, kuten helium-4:n kohdalla. Tällainen hiukkanen olisi täysin stabiili. Kuuden kvarkin vuorovaikutuksia ei tunneta tarkkaan, mutta tämä on mahdollista.
Heksakvarkki olisi siis mahdollinen pimeän aineen kandidaatti, mutta mistä niitä syntyisi? Tämä on itse asiassa idean yksi etu: jos pimeä aine koostuu heksakvarkeista, niiden alkuperä on sama kuin kevyiden atomiydinten. Maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin tiimoilla aine on kuumaa keittoa, jossa on irrallisia protoneita, neutroneita ja muita kvarkeista koostuvia hiukkasia. Kun keitto on kuumaa, hiukkasia syntyy ja hajoaa jatkuvasti. Kun keitto jäähtyy, epästabiilit hiukkaset katoavat ja stabiilit jäävät jäljelle. Heksakvarkki voi syntyä muiden kvarkkeja sisältävien hiukkasten yhdistelmänä, kuten protonit ja neutronit. Ydinreaktioiden tarkempi syynääminen osoittaa, että heksakvarkkeja voi helposti syntyä oikea määrä.
Yhteinen alkuperä selittäisi kätevästi sen, miksi pimeää ainetta ja tavallista ainetta on suunnilleen yhtä paljon. Useimmissa pimeän aineen malleissa sillä ja tavallisella aineella ei ole mitään tekemistä keskenään, joten on outoa, että niitä on melkein saman verran.
Jos heksakvarkit ovat pimeää ainetta, miksi niitä ei ole havaittu? Pimeää ainetta on etsitty monin tavoin, mutta mitään ei ole näkynyt. Tyypilliset pimeän aineen mallit selittävät asian siten, että pimeän aineen ja tavallisen aineen välinen vuorovaikutus on hyvin heikko. Heksakvarkkien tapauksessa ratkaisu on päinvastainen. Ne vuorovaikuttavat niin voimakkaasti, etteivät eivät koskaan pääse detektoreihin, jotka ovat tyypillisesti syvällä maan alla, vaan törmäävät sen sijaan ilmakehään tai maan kamaraan.
Kaikki ei kuitenkaan mene nappiin. Koska heksakvarkin massa on pieni ja kvarkkien sidos tiukka, raskaammat ytimet voivat hajota heksakvarkiksi ja kevyemmäksi ytimeksi, kuten ne hajoavat helium-4:ksi ja kevyemmäksi ytimeksi. Tiukimmat rajat tälle antaa Kamiokan kaivoksessa oleva Super-Kamiokande-koe, joka vaanii hajoamissignaaleja pimeässä tankissa, jossa on 50 000 tonnia vettä. Mitään ylimääräistä ei ole nähty, mikä tarkoittanee sitä, että stabiileja heksakvarkkeja ei ole. (Hajoamisten todennäköisyys riippuu heksakvarkkien sisärakenteesta, mistä ei ole varmuutta, mutta sellaista rakennetta, joka pitäisi hajoamisen tarpeeksi harvinaisena, pidetään hyvin epätodennäköisenä.)
Vaikka heksakvarkkien tarinalla ei olisi onnellista loppua, se on opettavainen. On vaikea tietää etukäteen, mitä merkkejä pitää seurata ja mistä suunnasta ratkaisu löytyy. Se, että pimeää ainetta ja tavallista ainetta on suunnilleen yhtä paljon voi olla tärkeä vihje, joka viittaa niiden yhteiseen alkuperään – tai kummallinen sattuma. Heksakvarkkien kohdalla moni asiaa loksahtaa paikoilleen, kunnes vastaan tulee ydinten stabiilius. Tämä havainnollistaa, miten tärkeää on yhdistellä eri teorioita ja havaintoja, tässä tapauksessa ydinfysiikkaa, kosmologiaa ja lopulta Super-Kamiokande-koetta, joka etsi merkkiä hiukkasfysiikan yhtenäisteorioista ja löysi sen sijaan neutriinojen massat – molemmat asioita, joilla ei ole heksakvarkkien kanssa mitään tekemistä. Kokeista on usein hyötyä tutkimukselle, jota varten niitä ei ole suunniteltu, ja teoreettinen tuntemus valaisee joskus yllättäviä nurkkia.
23 kommenttia “Kuusikon uudet seikkailut”
Vastaa
Muotoja ilman mittanauhaa
Aika-avaruuden kaarevuutta selittävän blogimerkinnän kommenteissa kysyttiin aika-avaruuden topologiasta, joten avaan tässä aihetta hieman.
Karkeasti sanottuna kappaleen (tai avaruuden) muodon sellaiset piirteet, jotka liittyvät etäisyyksiin, ovat geometrisia. Sellaiset piirteet, jotka pysyvät samana, kun etäisyyksiä muutetaan, ovat topologisia.
Esimerkiksi neliön ja ympyrän ero on geometrinen. Ympyrä on joukko pisteitä, jotka ovat kaikki yhtä kaukana keskipisteestä. Neliön tapauksessa pisteiden etäisyys keskipisteestä muuttuu sitä ympäri kuljettaessa. Etäisyyksiä venyttämällä ja kutistamalla saa ympyrän ja neliön muutettua toisikseen; asiaa voi havainnollistaa ajattelemalla ympyrän kaarta kuminauhana: etäisyyksien muuttaminen vastaa nauhan venyttämistä tai supistamista.
Mutta se, että nauha sulkee sisäänsä tasan yhden yhtenäisen alueen ei muutu, muuttipa etäisyyksiä miten hyvänsä. Ympyrän tämä ominaisuus on siis topologinen.
Ympyrä on yksiulotteinen kappale. Kosmologiassa keskeistä on se, millainen on maailmankaikkeutemme kolmiulotteisen avaruuden topologia.
Yleinen suhteellisuusteoria on teoria geometriasta. Se kertoo, miten aika-avaruuden kaarevuus (eli geometria) kehittyy, kun tiedetään, millaista ainetta aika-avaruus pitää sisällään. Sen sijaan yleinen suhteellisuusteoria ei ole teoria topologiasta: se ei kerro, millainen avaruuden topologia on. Mutta koska tietyn geometrian kanssa sopivat yhteen vain tietyt topologiat, yleinen suhteellisuusteoria rajoittaa sitä, millainen topologia voi olla.
Eri topologioita voi havainnollistaa yksinkertaisimman mahdollisen, eli tasaisen, geometrian tapauksessa. Tasaisen kaksiulotteisen pinnan topologia on sellainen, missä pinta ulottuu kaikissa suunnissa äärettömiin. Jos leikkaa pinnasta suikaleen ja määrää, että yhdestä reunasta ulos mentäessä tuleekin samasta kohtaa vastakkaiselta puolelta sisään, topologia on erilainen. Samaistamalla myös toiset reunat saa donitsin. On monimutkaisempiakin topologioita. Jos toiset reunat samaistaakin siten, että kun menee sisään reunan oikealta puolelta, tulee ulos vastakkaisen reunan vasemmalta puolelta, tuloksena on Kleinin pullo (jota on havainnollistettu täällä).
Isossa mittakaavassa maailmankaikkeutta usein kuvataan approksimaatiossa, jossa avaruus on samanlainen kaikissa paikoissa ja suunnissa. (Se, miten hyvä tämä approksimaatio on, on pitkään ollut eräs keskeinen tutkimuskohteeni.) Tässä tapauksessa on suoraviivaista luetella avaruuden mahdolliset geometriat ja kartoittaa, millaiset topologiat ovat mahdollisia. Kyse on siitä, miten avaruutta voi kääriä kasaan niin, että reunat kohtaavat sileästi.
Jos avaruus on samanlainen kaikkialla, sen kaarevuus on sama joka pisteessä. Jos kaarevuus on kaikkialla nolla, niin avaruus on tasainen. Tällainen maailmankaikkeus on tasainen pinta, joka ajan edetessä laajenee, eli aika-avaruus on kuin paperipino (jos yhden ulottuvuuden jättää pois).
Jos kaarevuus on kaikkialla positiivinen, niin avaruus on kolmiulotteinen pallopinta. On syytä korostaa, että kyse ei ole pallon sisuksesta, vain pinnasta. Kolmiulotteista pallopintaa voi olla vaikea hahmottaa, mutta se on samanlainen kuin kaksiulotteinenkin. Kolmiulotteisessa tapauksessa on yksi suunta lisää, mutta sekin kaartuu kaikkialla, ilman että mikään piste tai suunta olisi erikoisasemassa. Tällöin aika-avaruus on kuin kasa sisäkkäisiä pallopintoja (jos yhden ulottuvuuden jättää taas pois).
Jos kaarevuus on kaikkialla negatiivinen, niin avaruuden muotoa on hankalampia kuvitella. Tällaisella avaruudella on samanlainen suhde satulan muotoiseen pintaan kuin positiivisesti kaareutuneella avaruudella on pallopintaan. Siinä missä pallopinnalla kolmion kulmien summa on aina yli 180 astetta ja yhdensuuntaiset suorat lähentyvät toisiaan, satulapinnalla kolmion kulmien summa on aina alle 180 astetta ja yhdensuuntaiset suorat etääntyvät.
Tasaisessa tapauksessa avaruudella on 18 erilaista mahdollista topologiaa. Niistä kahdeksassa avaruus on ääretön. Tylsimmän äärettömän tapauksen lisäksi, missä ei tehdä mitään, on seitsemän vaihtoehtoa, missä avaruuden eri osia on samaistettu. Lopuissa kymmenessä avaruus on kääritty äärelliseksi, joko donitsiksi tai monimutkaisemmaksi paketiksi.
Pallopinnan tapauksessa tilanne on ratkaisevalla tavalla erilainen sikäli, että avaruus on aina äärellinen. Yksinkertaisin topologia vastaa pallopintaa, monimutkaisemmissa tapauksissa on samaistettu sen eri osia. Tämän voi tehdä äärettömän monella eri tavalla, ja ne kaikki tunnetaan.
Satulapinnan tapauksessa yksinkertaisin tilanne on sama kuin tasaisessa: avaruus jatkuu äärettömiin. Sen mahdolliset käärimiset ovat kuitenkin monimutkaisempia kuin tasaisen pinnan tapauksessa. Mahdollisia topologioita tunnetaan useita, mutta kaikkia mahdollisuuksia ei ole toistaiseksi osattu luetteloida.
Kosmologiassa avaruuden topologia kutkuttavasti liittyy kysymykseen siitä, onko maailmankaikkeus ääretön vai äärellinen. Jos avaruus on äärellinen, sillä on väistämättä jokin mielenkiintoinen topologia.
Asiaa voi selvittää havainnoilla. Ajatellaan tapausta, missä avaruus on tasainen mutta äärellinen, ja sillä on donitsin topologia. Kun lähettää matkaan valonsäteen, niin se kiertää avaruuden ympäri ja palaa jonkun ajan kuluttua takaisin vastakkaisesta suunnasta. Kosmologiset mittakaavat ovat liian isoja tällaisten kokeiden tekemiseen, mutta kaukaisten kohteiden tarkastelu ajaa saman asian. Kun galaksi lähettää valoa, meidän pitäisi donitsin tapauksessa nähdä sen kuva eri puolilla taivasta.
Käytännössä tällaisten havaintojen tekeminen on yksittäisen galaksin kohdalla vaikeaa, koska siitä tuleva valo on matkannut eri matkan eri suuntiin. Niinpä voisimme esimerkiksi nähdä galaksin yhdessä suunnassa sellaisena kuin se oli miljardi vuotta sitten ja toisessa sellaisena kuin se oli sata miljoonaa vuotta sitten. Koska galaksit kehittyvät, näitä voi olla vaikea tunnistaa samaksi kappaleeksi.
Lisäksi jos avaruuden topologia on donitsia monimutkaisempi, valo ei välttämättä palaa suoraan samaan pisteeseen, vaan voi kiertyä eri tavoilla. Tämä vaikeuttaa kuvien tunnistamista entisestään. (Oman hankaluutensa tuo myös se se, että maailmankaikkeus ei todellisuudessa ole täysin tasainen, eivätkä täysin tasaisten avaruuksien ja melkein tasaisten avaruuksien mahdolliset topologiat välttämättä ole samanlaisia.)
Tämän takia topologiaa ei käytännössä mitata tarkastelemalla yksittäisiä galakseja tai muita kappaleita, vaan syynäämällä taivaalla näkyvän valon tilastollista jakaumaa. Tarkin tutkailu tehdään galaksien sijaan kosmisen mikroaaltotaustan avulla.
Kosminen mikroaaltotausta on valoa, joka irtosi aineesta maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuotta vanha. Tämä tapahtui kaikkialla avaruudessa lähes yhtä aikaa, ja nyt kosminen mikroaaltotausta on pallopinta ympärillämme. Jos maailmankaikkeus on tarpeeksi pieni, kosmisen mikroaaltotaustan valo on ehtinyt matkata sen ympäri ja kohdannut itsensä. Asiaa voi havainnollista ajattelemalla, mahtuuko kosmisen mikroaaltotaustan pallo avaruuteen. Jos pallo menee avaruuden reunoista yli, se risteää itsensä kanssa, ja risteyskohdissa näkyy renkaita. Mitä pienempi avaruus on, sitä useammin mikroaaltotausta on ristennyt itsensä kanssa, ja sitä pienempiä ja enemmän renkaita siinä on.
Risteyskohtien tarkka muoto riippuu siitä, millainen avaruuden topologia tarkalleen on. Tällaisia taivaalla hohtavia renkaita ja monimutkaisempia jälkiä on etsitty, eikä mitään ole näkynyt. Koska kosmisen mikroaaltotaustan pallon säde on noin 50 miljardia valovuotta, voidaan päätellä, että jos maailmankaikkeus on äärellinen, sen koko on tätä isompi.
Havainnoissa ei siis ole mitään tukea sille, että maailmankaikkeus olisi äärellinen. Teoreettisesti aika-avaruutta ei vielä ymmärretä tarpeeksi hyvin, että osattaisiin sanoa, olisiko se äärellinen vai ääretön. Yleinen suhteellisuusteoria ei määrää topologiaa, mutta jotkut muut teoriat saattavat niin tehdä. Säieteorian joissain muotoiluissa on olemassa ylimääräisiä paikkaulottuvuuksia havaittujen kolmen lisäksi, ja ne ovat yleensä äärellisiä (ja hyvin pieniä). Jos näin on, tuntuisi luontevalta, että myös havaitut kolme ulottuvuutta ovat äärellisiä, vain paljon isompia. Säieteoria ei kuitenkaan kerro, että näin pitäisi olla, eikä edes tiedetä kuvaako säieteoria todellisuutta.
Vaikka maailmankaikkeus olisi äärellinen, kosmisen inflaation mukaan näemme luultavasti vain pienen osan siitä. Tässä tapauksessa topologian jäljet ovat heikkoja. Kääntäen voi sanoa, että jos näkisimme merkkejä avaruuden topologiasta, niillä voisi olla mullistava vaikutus käsitykseemme maailmankaikkeudesta.
Päivitys (17/04/18): Korjattu kolmien kulmien summa satulapinnalla.
18 kommenttia “Muotoja ilman mittanauhaa”
-
Eusa sanoo:
”satulapinnalla kolmion kulmien summa on aina yli 180 astetta ja yhdensuuntaiset suorat etääntyvät.”
Typo: summa on aina alle 180 astetta.
Hyvin ja mielenkiintoisesti kuvailit aihetta.
Mitä mieltä olet ajatuksesta, että meillä on vihjeitä (mm. metrinen kvantittuminen, mutta ajan kvantti on kiistanalainen), että kaikkeus olisi avaruudellisesti äärellinen, mutta ajallisesti ääretön? Siis minkään kappaleen koko (määriteltäköön kappale kuinka vain) ei voisi olla rajoittamattoman kokoinen, mutta voisi olla kappaleita, joiden ikä lähenee rajatta ääretöntä? Tämä dilemma on analogisesti sama kuin se voisimmeko nähdä samoista galakseista useita inkarnaatioita – jos massa/aika voi kaareuttaa aikaa etäisen havaitsijan koordinaateissa loputtomiin, voi olla asymptoottisesti ääretöntä ikää kuluttavia reittejä, mutta reitit ylläpidetään äärellisellä määrällä alkeishiukkasia. Tämä liittyy siihen topologian kahvallisuuteen ja kahvojen lukumäärään. Mustat aukot ja niiden topologia unohdettakoon kuitenkin tässä yhteydessä.
Toisaalta mikä tahansa entiteetin aika olisi ylinumeroituva eli antaisi jatkuvalle geometrialle tilaisuuden – puolestaan lomittuneet ainerakenteet saattaisivat perustua etäisyyden diskreettiin pariteettiin perustuviin vuorovaikutuksiin.
Ajatukseen kuuluu äärellisen hiukkaskahvaisuuden vuorovaikutuslogiikka niin, että luontomonisto tarvittaessa kohdaltaan kaareutuu/ikääntyy niin kovin, ettei mikään vuorovaikutusetäisyys voisi yltää kaikkeuden ympäri, ehkei edes sen puolivälimitan yli. Noin omega pakottautuisi tasan nollaan ja kaikkeuden topologia tasan laakeaksi. Kaksiulotteisista topologioista tosiaan torus ja Kleinin pullo ovat laakeita ilman kuspeja – kvanttilomittusen perusteella on esitetty arveluja, että 3-/4-d-kokonaistopologia voisi noudattaa mieluummin Kleinin pullon kuin toruksen topologista morfismia…
-
Syksy Räsänen sanoo:
Kiitos korjauksesta.
Ken tietää. Kysymys ajan ja avaruuden äärellisyydestä tai äärettömyydestä on täysin avoin.
-
-
Cargo sanoo:
Mielenkiintoinen postaus. Tuli mieleen, että vaikka suhteellisuusteoria ei paljasta topologiaa, niin eikö luonnonlakien suhteellisuusperiaatetta voisi tässä kohtaa soveltaa ja vaatia kaarevuuden olevan kaikkialla samanlaista tyhjässä avaruudessa? Pallopinta lienee ainoa monisto, joka vääntyy jokaisen pisteen ympärillä samalla tavalla joka suuntaan. Kun lisätään massaa, niin kaarevuus muuttuu lokaalisti.
Toisekseen: maailmankaikkeus voi olla ”ääretön”, jos avaruuden laajeneminen ymmärretään neliulotteisen pallon laajenemisena, kun säteen kasvunopeus on riittävän suuri. Eli maailmankaikkeus olisi topologisesti rajoitettu, mutta kolmiulotteisen pinnan laajenemisen vuoksi yksikään valonsäde ei pysty kiertämään koko pallopintaa ja palaamaan takaisin lähtöpisteeseenä.
-
Kuten tekstissä kirjoitan, on kolme avaruutta, joiden kaarevuus on vakio: tasainen, pallopinta ja satulapinta.
Suhteellisuusperiaatteella ei ole avaruuden vakiokaarevuuden kanssa mitään tekemistä.
-
-
Mika sanoo:
Kiitos taas erittäin mielenkiintoisesta kirjoituksesta!
Pitäisikö satulapinnan kohdalla lukea että kolmion kulmien summa on alle 180?
Onko sinulla itselläsi suosikkitopologiaa tai veikkausta siitä, onko aika-avaruus äärellinen vai ääretön?
-
Pitäisi, kiitos.
Ei varsinaisesti. Asia määräytynee fysiikasta, joka on tuntemamme fysiikan ulkopuolella, eikä siitä ole tarpeeksi vihjeitä. Äärellinen avaruus olisi kenties miellyttävämpi.
-
-
PekkaP sanoo:
Ilmeisen tyhmä kysymys maallikolta.
Jos maailmankaikkeuden ikä on n. 14 miljardia vuotta, miten maailmankaikkeus olisi voinut rajallisen kokoisesta alusta kasvaa rajallisessa ajassa äärettömäksi? Kysymys on vaivannut minua vuosia.
Ymmärrän sen verran, ettei valonnopeus rajanopeutena koske avaruuden laajenemista, mutta Ojalan laskuopin hätäisesti sisäistäneenä näen tuossa jonkinmoisen ristiriidan.-
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan jos maailmankaikkeus on nyt ääretön, se on aina ollut ääretön.
Yleinen suhteellisuusteoria ei tosin päde lähellä alkua, joten emme tiedä mitä varhaisina hetkinä on tapahtunut.
-
-
Alarik sanoo:
Kiitos ymmärrykseni kasvattamisesta näillä aika-avaruuden geometriaa ja topologiaa käsittelevillä merkinnöilläsi. Tinkimättömät ja kumartelemattomat kirjoituksesi tarjoavat lähes poikkeuksetta päänvaivaa ja ihmeen sekä kauneuden tuntua – silloinkin, kun tunnen vain kevyen ilmavirran hilseeni tietämillä.
-
Kiitos, mukava kuulla.
-
-
Onko seuraava mielikuva avaruudesta neliulotteisen pallon pintana oikea, jos avaruus on tyhjä: mihin tahansa suuntaan lähetetty fotoni palaa lähtöpisteeseen vastakkaisesta suunnasta ja suunnasta riippumattomassa ajassa.
Jos asiaa aprikoi vielä lisää, niin voisiko kosminen taustasäteily olla tuollaista neliulotteisen pallopinnan kiertänyttä säteilyä? Kun aallonpituuden jakauma on taustasäteilyssä tasainen, niin voisi olettaa, että säteet ovat kulkeneet saman matkan/ajan laajenevassa ja tasaisesti massaa sisältävässä avaruudessa.
-
Avaruuden topologiaa ei tunneta. Jos avaruuden topologia on pallopinta, se ei ole neliulotteisen pallon pinta, vaan kolmiulotteinen pallopinta.
Erosta, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/suoraviivaista/
Mutta mielikuvasi on oikea.
Kosmisen taustasäteilyn alkuperällä ei ole mitään tekemistä avaruuden topologian kanssa (vaikka topologia saattaakin jättää siihen jälkiä).
-
Olisiko se täysin mahdotonta, että kaikki muu säiteity on inteferoitunut olemattomiin paitsi poispäin lähtenyt säteily, joka palaa kosmisena taustasäteilynä?
-
Kosmisen taustasäteilyn alkuperä tunnetaan hyvin, eikä tuolla ole mitään tekemistä sen kanssa.
Ks. http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/ylos_tulenpyorteessa
Tämä riittäköön tästä.
-
Tämä riittäköön tästä, mutta itse täytän vielä topallisen ja pössyttelen piippua nojatuolissa…
-
-
-
-
-
Markus Sadeniemi sanoo:
Äärettömään avaruuteen mahtuisi ääretön määrä massaa. Mutta joudutaanko tällöin gravitaation, säteilyn tms. kanssa vaikeuksiin? Siis onko äärettömässä avaruudessa kuitenkin äärellinen määrä ainetta?
Jos satulapinnalle liimaa äärellisen määrän galaksinkuvia, niin ne mahtuvat äärellisen ympyrän sisään ja on mahdollista puhua avaruuden keskipisteestä vaikkapa painopisteen mielessä. Päteekö tämä myös kolmiulotteisen avaruuden tapauksessa?
-
Kosmologisissa malleissa, missä avaruus on ääretön, ainett on äärettömän paljon. Tässä ei ole mitään ongelmaa: aineen tiheys on äärellinen, eli jokaisessa äärellisessä alueessa sitä on äärellisesti.
Satulapinta on vertaus. Kaksiulotteinen satulapinta, jonka kaarevuus on vakio, on siinä mielessä samanlainen kuin pallopinta tai tasainen pinta, että siinä ei ole mitään erityisiä pisteitä tai suuntia. Sama pätee kolmiulotteisessa tapauksessa.
-
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Paikan täyttäminen
Vastaa
Fysiikka on vallankumouksellista
Minua pyydettiin Ylelle kolumni fysiikan kouluopetuksesta. Tuloksena on tämä toimituksen otsikolla ”Opetetaanko koulussa fysiikkaa väärin? – Syksy Räsänen: “Opetuksen sisältö on enimmäkseen jäänyt 1800-luvulle”” varustama kirjoitus. Se päättyy näin:
Siinä missä luonnontieteen sovellukset avaavat pakoreitin ihmiskunnan painajaismaisesta historiasta ja muokkaavat inhimillistä kulttuuria yhä nopeammin, sen löydöt avaavat ainutlaatuisen näkymän todellisuuteen arkikokemuksen tuolle puolen.
Fysiikka ei vain tuota verrattomia teknologisen kehityksen ja yhteiskunnallisen muutoksen siemeniä, se on itsessään arvokas osa ihmiskunnan perintöä. Kertokaamme siitä sen mukaisesti.
15 kommenttia “Fysiikka on vallankumouksellista”
-
Matti Ala-aho sanoo:
Hyvä Syksy Räsänen
Esität kritiikkiä fysiikan kouluopetuksesta. Olen opettajana lukiossa, enkä voi ymmärtää näkemyksiäsi fysiikan opetuksesta. Olen täysin eri mieltä. Väittely ei kuitenkaan johda mihinkään, joten ehdotan, että tuotat lukion fysiikan opetukseen jotain, jolla on merkitystä.
Kritisoit, että opetus on jumittunut historiaan. Voisit ehkä kertoa, mitä on fysiikka, jota sinun mielestäsi tulisi oppilaille opettaa. Kursseja on seitsemän; kuusi tosi vanhaa fysiikkaa, ja seitsemäs 1900-luvun alusta.
Kerrohan muutokset.
Kerrot, että ”Avaruus kehittyy ajassa ja aika kulkee eri tavalla aineesta riippuen.” Olisin kiinnostunut kuulemaan, miten opetat lukiolaisille, tai kenelle tahansa, ajan kulkua ja sen riippuvuutta aineesta. Pitäisikö siitä osata jälkeenpäin jotain? Kerropa hyvä kysymys, jolla osaamista voisi mitata osaamista, vai onko se tarpeen?
Missä on Räsänen (/ Enqvist) julistuksen tuottama oppimateriaali lukiolaisille?
Tehkää jotain; me muut emme voi osata.
(p.s. Kari Enqvist valitti samasta aiheesta 7v sitten. Toki kun vaan valittaa, ei tartte tehdä mitään)
Matti
-
Sitä mikä on modernissa fysiikassa mielestäni oleellista opetettavaa, ja miten sitä voi käydä läpi, voi katsoa esimerkiksi kurssini Fysiikkaa runoilijoille materiaalista. (Lukiokurssien rakenne on toki erilainen.)
http://www.courses.physics.helsinki.fi/teor/run/
-
On myös syytä huomata, että en kirjoittanut oppimateriaalista, vaan opetussuunnitelmasta.
-
Kiitos vastauksestasi. Luin luentodiat läpi, ja ne tarjoavat varmasti osaavan esittäjän myötä laajan kuvan siitä, mitä fysiikka on. Tämän tyyppinen johdattelu fysiikan merkitykseen sisältyy ymmärtääkseni opetussuunnitelmaan ”Opetus ohjaa opiskelijaa ymmärtämään fysiikan merkitystä jokapäiväisessä elämässä, ympäristössä, yhteiskunnassa ja teknologiassa”, (ops)
Silti vaikkapa yleisen suhteellisuusteorian sisällyttäminen fysiikan keskeisiin sisältöihin ei mielestäni ole järkevä ratkaisu, eikä sille voi varata kovinkaan paljoa aikaa. Lukiossa aiheesta ei varmaankaan päästäisi lauseesta ”Jos olet painottomana hississä, mistä tiedät oletko avaruudessa vai onko vaijeri vain katkennut?” (Räsäsen luentomoniste) paljoa pidemmälle.
Vaadit suhteellisuusteoriaa ja kvanttifysiikkaa kouluopetukseen. Tarkoitin kommentillani tekemättömyydestä täsmällisyyden puutetta. Vaatimusta ”suhteellisuusteoriaa koulufysiikkaan” voisi kenties täsmentää. Olisi hyvä kuulla miten monta tuntia/kurssia tälle varattaisiin aikaa. Käsittääkseni oma kurssisi sisältää 7x4h luentoja, mikä vastaa miltei yhtä lukiokurssia. Olisiko sisältöinä samankaltainen setti, mitä omissa luennoissasi? Mitä opiskelijan tulisi tämän opintojakson jälkeen osata?
-
Kirjoitin Ylen tekstissäni seuraavasti:
”Opetushallituksen peruskoulun ja lukion opetussuunnitelmien mukaan fysiikan opetuksen yksi tavoite on auttaa ymmärtämään fysiikan merkitystä ”jokapäiväisessä elämässä, ympäristössä, yhteiskunnassa ja teknologiassa” niistä tehtyjen havaintojen pohjalta. Tämä on tärkeää, mutta asiassa on toinenkin puoli: moderni fysiikka on osoittanut, että arjen havaintojen perusteella muodostettu käsitys maailmasta on perustavanlaatuisesti virheellinen.
[…]
Opetussuunnitelmassa mainitaan luonnontieteellisen ajattelun ja maailmankuvan kehittymisen tukeminen. Modernia fysiikkaa kuitenkin kohdellaan vain pienenä lisänä yli sata vuotta vanhaan tietoon. Tämä vaikeuttaa sekä fysiikan maailmasta paljastaman kuvan että nykyteknologian perustan ymmärtämistä.”
En rupea blogin kommenteissa laatimaan opetussuunnitelmaa uusiksi, se vaatisi enemmän paneutumista.
-
-
-
ro holopainen sanoo:
Enqvistin olen kuullut puhuvan täydelle auditoriolle modernin fysiikan perusasioista – mielestäni elävästi, vertaillen. Uskoisin, että juuri sitä tasoa että nappaa lukiolaisella.
Jos fysiikka on kouluopetuksessa jäänyt 1800-luvulle, on ymmärrys uskoinnoista yhä 1600-luvun kirkollisen dogmatismin vanki.
Entä historia, uskonnon tavoin kiitettävä seisoi lukion päästötodistuksessa – mutta itse piti mm. arabismin vaikutus Euroopan valitukseen hakea lähteinen.
Miksi?
-
-
Erkki Kolehmainen sanoo:
Kannattaa muistaa fysiikkaakin opetettaessa tämä Stanisław Lemin kuolematon aforismi:
”Monta asiaa olisin oppinut, ellei niitä olisi minulle opetettu.”
Lisää aforismeja löytyy ao. linkistä:
http://www.helsinki.fi/~aannila/arto/aforismeja.pdf -
Uusien opetussuunnitelmien prinsiippeihin kuuluu ilmiöperusteinen oppimiskäsitys. Vaikka tuossa suunnitelmassa on pääosin kyse peruskoulusta ja siitä kuinka ilmiöiden kautta voidaan omaksua perustietoa nopemmin, kyllä sitä on tarkoitus lukioihin ja niiden syventävämpään sisältöönkin soveltaa.
Esimerkiksi koordinaatistovalinnasta ja ekvivalenssiperiaatteesta voisi rakentaa ilmiöitä, joissa havaintoja esitetään vain vapaan putoamisen koordinaatistossa. Maanpinta käsitetään silloin samalla romahtavan ja samalla toisiaan puskevan aineksen tilalliseksi tasapainoksi. Koska romahtava aines on vapassa pudotuksessa, sen perusteella se ei koe voimia, mutta pusku on aineksen välinen vuorovaikutus ja jää todelliseksi fysikaaliseksi ilmiöksi – siis siksi sohvatyyny puskee juovat poskeesi päivätorkuilla ja heliumpallo pyrkii korkeuksiin; maanpinta ja ilmakehä itseiskiihtyy jatkuvasti ylöspäin…
-
Kari Leppälä sanoo:
Hei, olen pääosin samaa mieltä fysiikan opetuksesta, se vosi valmentaa paremmin modernin maailmankuvan omaksumisessa. Toki sillä varauksella, että fysiikka on rakentunutja rakentuu edelleen vanhan päälle. Minusta korjattavaa olisi myös tekniikan opetuksessa. Turhan vahvasti tekniikka esitetään fysiikan sovelluksena. Se on minusta kulttuurihistoriallisesti ja myös faktisesti epätarkaa. Tekniikka on minusta erillinen asia. Lämpöoppi ei tuottanut voimakoneita – mutta totta, auttoi myöhemmin ymmärtämään niitä. Fysiikka ei myöskään tuottanut hehkulamppua, joka on säteilylain sovellus. Sen sijaan lähes tyhjäksi pumpatuilla hehkulampun kuvuilla leikkiminen tuotti havaintoja, jotka luultavasti vaikuttivat kvantti-ilmiöiden tutkimukseen. Nämä on toki äärimmäisiä esimerkkejä, mutta ehkä havainnollisravat, että teknukan ja fysiikan vuorovaikutus on kaksisuuntainen tie. Tekniikan esittäminen fysiikan sovellukena tuotaa myös fyysikoille tarpeetomia ja vahingollisia paineita tuottaa hyödyllisiä sovelluksia. Lopuksi, haluaisin samaan opetuspakettiin myös filosofian. Nykyisin filosofian ajatellaan olevan jonkinlaista etiikan opetusta. Minusta turhaan, koska etiikka on joka tapaksessa ihmisyyden ytimessä. Minusta filosofia pitäisi ottaa mukaan, koska se voisi valottaa asioiden ymmärtämisen eri muotoja, oli se sitten fysiikkaa, luontoa ai jotain muuta.
-
Pahoittelen lukemattomia kirjoitusvirheitä, en malttanut laittaa lukulaseja päähän. Ja täsmennän, että en mitenkään kiistä, etteikö uusi fysiikka olisi myös vallankumouksellista- Sikäli kun yhtään ymmärrän, kyllä se on!
-
-
Lentotaidoton sanoo:
Räsänen: ”Tämä on tärkeää, mutta asiassa on toinenkin puoli: moderni fysiikka on osoittanut, että arjen havaintojen perusteella muodostettu käsitys maailmasta on perustavanlaatuisesti virheellinen”.
Syksy Räsänen iskee tässä tärkeään asiaan. ”Arjen havaintojen pohjalta” on esim mahdotonta mieltää valtavasti kasvaneen/kasvavan nykyteknologian jokapäiväisiä ”härpäkkeitä” (jotka perustuvat kvanttifysiikkaan) edes auttavasti. Minusta tämä on suuri aukko nimenomaan yleissivistyksessä. Kun moderni trendi on vain kasvava, niin olisi suuri vahinko, jos perusymmärrys näistä suodaan vain yliopistoissa fysiikkaa lukeneille.
-
Kyllä näin on marjat! Lukion fysiikan tunneilla tulisi käydä oppilaiden kanssa runolliseen sävyyn dialogia fysiikan luonteesta ja niistä ensimmäisistä periaatteista, joiden avulla kaikki havaitut asiat voidaan selittää. Myös jännittävät spekulatiiviset teoriat auttavat pitämään nykynuorison mielenkiintoa yllä eikä tyttöjäkään tulisi kiusata turhalla matematiikalla.
Sitten ylppäreitten jälkeen nämä itseään totaalisen täynnä olevat wanna-be-einsteinit kokoontuvat laajan fysiikan luentosaliin opiskelemaan… Newtonin mekaniikkaa(?), Maxwellin yhtälöitä(?!), statistista termodynamiikkaa(?!!),…
Ehkä joskus tulevaisuudessa saamme lukea kolumneja siitä, miten fysiikan yliopisto-opetuksen sisältö on jäänyt aivan liiaksi 1800-luvulle.
-
Kritiikkisi osuu. Opetettavien ilmiöiden tulee olla käsitettäviä. Tieteen filosofiaa tangentoi se mikä on antanut uusimmat toimivat teoriat: näkökulman vaihto.
Modernissa fysiikassa on useita aiheita perehdyttää kuinka näkökulman vaihdos voi vaihtaa vallitsevaa paradigmaa. Nämä ilmiöt täytyy periaatteineen vain saattaa kouluttautujien tasolle – koordinaatiston vaihdon esimerkilläni tavoittelin näkökulman vaihdon konkretiaa kuinka esim. satelliittiradalla vapaasti putoava tarkkailija putoavassa koordinaatistossa kokee avaruuden kaarevoittavan suoraa liikerataansa suhteessa romahduskeskiöön…
-
Toinen esimerkki kvanttimekaniikan tai astrofysiikan piiristä olisivat tarkentuneiden havaintojen pakottamat näkökulman vaihdokset.
-
-
Hannu Korhonen sanoo:
Ylen sivuilla oleva juttu ”Opetetaanko fysiikkaa väärin” on tärkeä puheenvuoro. Se ansaitsee täyden huomion sekä opettajien että opetussuunnitelmien perusteita kirjoittavien piirissä. Lukion fysiikan suurimmat aukot ovat jo pitkään olleet modernin fysiikan kohdalla. Onneksi opettajalla on ollut pitkälle menevä pedagoginen vapaus. Suhteellisuusteorioita ja hiukkasfysiikkaa Cernin kiihdyttimet ja Feynmannin diagrammit mukaan luettuina on saanut opettaa modernin fysiikan kurssissa on edellistenkin opetussuunnitelmanperusteiden aikana, jos siihen ei ole kukaan ulkopuolinen puuttunut. Kaiken lisäksi nämä asiat kiinnostavat ja jopa innostavat opiskelijoita. Erityisen merkittävästä asiasta on kyse siksi, että siinä käsitellään maailmankuvaamme vaikuttavia asioita nykyisen ymmärryksen mukaan. Ottakaa viisaus varteen!
Vastaa
Ikkuna ja kohtalo
Rihvelin numerossa 1/2018 on juttuni Ikkuna kauneuteen gravitaatioaaltojen tiimoilta. Se päättyy näin:
Kauneudesta ja totuudesta; siitä, että oppii katsomaan ja ymmärtämään niitä, puhumaan niistä ja löytämään niitä; tästä kaikesta ei voi luvata muuta hyötyä kuin että se auttaa tekemään elämästä elämisen arvoisen.
Samassa numerossa on muitakin kiinnostavia juttuja, kuten Kaisa Kankaan Aalto-yliopiston aistillinen matematiikka. Rihveli on Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehti.
Minua pyydettiin Ylen sarjaan Kosmos – maailmankaikkeus viidessä minuutissa selittämään maailmankaikkeuden laajenemista. Ingressissä on katsottu parhaaksi kuvata asiaa sanoilla ”Kosmologi Syksy Räsänen ennustaa mikä on kohtalomme.” Muina aiheina ovat maailmankaikkeuden koko, älyllinen elämä, pimeä aine ja mustat aukot.
Tällä viikolla juttelen keskiviikkona aiheesta Onko metafysiikalla sanottavaa fysiikan jälkeen? ja puhun lauantaina äänestä ja kauneudesta kosmologiassa; tarkemmin täällä.
Jos sinun tulisi löytää *psykologinen* selitys sille, että ihmiset mielellään teoretisoivat, että:
a) on olemassa tapahtumahorisontteja ja madonreikiä
b) lomittuminen kertoo ei-lokaaleista kytkennöistä
c) pimeä aine koostuu hiukkasista, jotka laumailevat tavallisen aineen suhteen vakioisesti
… niin mahtaisiko vastaus olla helposti vai vaikeasti keksittävä? Edellyttää vain hetkeksi totaalista uskomusviitan pudottamista.
Ihmismieli toivoo aikamatkustusta tai teleportaatiota tai krijon uusia tutkittavia hiukkasia ja vähintäänkin ne mahdollistavien suhteellisuusteoreettisten sekä kvanttimekaanisten tulkintojen elossa pysymistä…
Useimpien hypoteesien kohdalla tulee aika, jolloin havainnot lopulta kääntävät logiikan (ainakin jälkikäteen katsoen) ”tylsän” johtopäätöksen puolelle…
Mutta ei puuduttava logiikkakaan estä uuden fysiikan löytymistä sitkeällä puurtamisella ja sitä kauttakin hankituin onnenpotkuin höystettynä. Siitä mm. P.A.M. Diracin elämä oli mainio esimerkki – hedelmiä poimitaan yhä.
Tähän on koottu aivan erilaisia asioita, enkä ymmärrä kohtia b ja c, joten tämä riittäköön tästä.
Mielenkiintoista. Tässä lisää:
https://en.wikipedia.org/wiki/Hexaquark
https://en.wikipedia.org/wiki/Exotic_hadron
Pimeää ainetta ja tavallista ainetta on suunnilleen yhtä paljon, mutta kuitenkin pimeä aine on noin 80% maailmankaikkeuden ainesisällöstä?
Suunnilleen yhtä paljon, eli pimeää ainetta on vain 4-5 kertaa niin paljon kuin tavallista ainetta.
”Karkeella halolla” mitaten 🙂
Sellainen mielikuva että olisin joskus lukenut hiukkaskiihdyttimessä hiukkasten laajenevan oliko se jopa kahdeksan kertaa normaalia isommiksi. Kirja liittyi muistaakseni jotenkin Einsteiniin. Onko huuhaata tuo?
Hiukkaset eivät laajene kiihdyttimissä, ne sen sijaan Lorentz-kontraktion takia kutistuvat monta tuhatta kertaa ohuemmiksi menosuunnassa. Tämä on sen verta kaukana merkinnän aiheesta, että ei tästä sen enempää.
Hieman epäselväksi jäi että mikä on heksakvarkkiteorian osakkeiden arvo. Jos osakkeita on, niin kannattaako ostaa lisää, pitää ne jotka on, vai pyrkiä pääsemään eroon niistä ?
Osakkeiden hintahan määräytyy siitä, minkä arvoisiksi suurin osa sijoittajista katsoo ne.
Useimpien usko heksakvarkkeihin on ollut alhainen alusta asti (niitä on jo vuosia tutkittu). Nykyään kaiketi monet pitävät niiden osakkeita jokseenkin arvottomina. (Itse olen konservatiivisempi.)
Räsänen: ”On vaikea tietää etukäteen, mitä merkkejä pitää seurata ja mistä suunnasta ratkaisu löytyy”.
Yht ´äkkiä miettien löytyy liuta esimerkkejä: taustasäteily löytyi ”vahingossa”, tutkittiin aivan muuta. Planckin ”hullu” idea diskreettisyydestä kun oli ajauduttu umpikujaan. 1987A supernovasta löydettiin 19 varmaa neutrinoa, tutkittiin mahdollista protonin hajoamista, tuloksena neurinoastronomia. Kosmoksen kiihtyvä laajeneminen kun tutkittiin juuri päinvastaista. Pulsarien löytö. Ameriikan löytö. Hoylen hiililöytö. Tietysti tämä iänikuinen Newton ja omena tarina. Flemingin bakteeriviljelmät tuhoutuivat, tuloksena antibiootit. Galvanin sammakonkoivet. Kaksoiskierteen tai bentseenin ”unennäöt”. Rosettan kivi. Arkhimedes ja heureka. Röntgensäteet. Jne jne, soveltavassa materiaalifysiikassa iso liuta ”vahinkoja”.
”Kokeista on usein hyötyä tutkimukselle, jota varten niitä ei ole suunniteltu, ja teoreettinen tuntemus valaisee joskus yllättäviä nurkkia.”
Vaihtaisin sanan ”usein” sanaan ”joskus”. Kokeita voi tehdä loputtomasti, jos niitä ei suunnitella huolella. Koetta suunniteltaessa on tekijöillä hypoteesi, jonka oikeellisuus kokeella tahdotaan selvittää. Jos koe antaa halutun tuloksen, niin hyvä, mutta jos ei, niin joko hypoteesi on väärä tai sitten itse kokeen järjestely on puutteellinen. Jos jälkimmäinen vaihtoehto on totta, kuten esim. Flemingin bakteeriviljelmien kanssa, niin oli onnenkantamoinen, että Fleming huomasi ihmetellä, miksi bakteerit kuolivat. Suurin osa puutteellisesti suunnitelluista kokeista ei anna mitään uutta tietoa vaan ovat pelkkää henkisten ja aineellisten resurssien tuhlausta. Hyvä esimerkki ovat pimeän aineen havaitsemiseksi tehdyt kokeet, joita tehdään, vaikkei tiedetä, onko pimeää ainetta edes olemassa. Samojen resurssien suuntaaminen johonkin muuhun kohteeseen olisi ehkä tuotos-panos-suhteeltaan parempi?
Pimeästä aineesta on paljon todistusaineistoa, ja se on paljon parempi selitys havainnoille kuin uudenlainen gravitaatiolaki (mikä on ainoa toinen vaihtoehto). Sitä voi kuitenkin vielä epäillä.
Jos pimeän aineen olemassaolo tiedettäisiin varmasti, sitä ei tarvitsisi enää etsiä.
Miten tiedemies voi ajatella, että olisi olemassa vain ”ainoita vaihtoehtoja”?
Johdonmukaisesti.
Energiasisältö määrää yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaation. Olet siis sitä mieltä, että kaikki energia voidaan redusoida ainehiukkasiksi?
Ovatko valo ja gravitaatiosäteily mielestäsi ainetta? Esim. peileillä loukutettu valo gravitoi peilikehän ulkopuolelle. Onko kyseessä aine vai jokin muu energia?
Myös periaatteessa samasta teoriasta on eri tulkintoja. Onko arvokkaampi nykytulkinta YST:sta vai Einstein-Grossman tilanne 1913, jossa vielä haluttiin saada gravitaatiokentän energia osaksi kovarianttia esitystä, mutta josta luovuttiin oikaisten 1915 alkaen…?
Suunnilleen kaikki ymmärtävät, että jollain tavalla gravitaatioteoriaa muunnettaneen ainakin niin, että kvanttimekaniikan perturbatiivisyys voisi olla sen kanssa yhteensopivampaa.
Tiedemiehelle aine ja gravitaatiolaki eivät saisi olla ainoita vaihtoehtoja toisilleen laajassa kuvassa, mutta myös pimeän massan ongelmassa, kuten kaikissa tieteen ongelmissa, yllätysvaihtoehtoja mietitään. Mm. jokin pimeän sektorin muukin geometrinen mekanismi kuin aine tai gravitaatio”vuorovaikutus” on välillä ollut esillä.
Ehdottomuus ei tieteenfilosofisteja miellyttäne, teologeja ehkä ennemminkin.
Yleisessä suhteellisuusteoriassa aineen ominaisuudet (erityisesti energiatiheys ja paine) vaikuttavat aika-avaruuden geometriaan. Aine sisältää tässä myös massattomat hiukkaset kuten fotonit.
Riemannin kaarevuusgeometrian einsteinilainen sovellus neliulotteiselle avaruusajalle on mielestäni oikeastaan enemmänkin itsestäänselvä kuvaus kuin teoria. On vaikea kuvitella gravitaatiolakia, joka ei noudattaisi paikallisesti tuota symmetriapeliä. Silloin tulisi tosiaan löytää tarve useammalle riippumattomalle vapausasteelle.
Entäpä emergentti gravitaatio? Eikö se ole periaatteeltaan tukevasti yhteensopiva ainesisällön merkityksen kanssa?
Kun aine käsitetään laajasti kuten esitit, enpä minäkään näe gravitaatiolle yleisen suhteellisuusteorian periaatteiden ulkopuolista lainalaisuutta mahdolliseksi – joitain tulkintamahdollisuuksiahan on ratkaisujen kelpoisuuksissa.
Itse pidän erillään valonluontoisen ja massallisen energian; valonluontoinen on gravitaation muutossignalointia ja massallinen itse gravitaatiota.
Tiedemies ei poikkea mitenkään tavallisesta ihmisestä. Kaikkien ihmisten ajattelulle on tyypillistä paradigma eli yksi totuus ja sen korvaaminen uudella on hidas ja vaikea prosessi. Thomas Kuhn on kirjoittanut tästä aiheesta varsin ansiokkaasti. https://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Kuhn
Ja nynnyjen etsintä vaan jatkuu! https://phys.org/news/2018-05-world-sensitive-dark.html
Jos nuo ”nynnyt” eivät avautuneet, niin WIMP englanniksi tarkoittaa nynnyä, nössöä suomeksi 🙂