Arkisto


Ylös pohjalta

14.2.2019 klo 19.19, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Merkinnässä Alas huipulta kirjoitin fysiikan teorioiden kehityksestä kohti matemaattisesti hienostuneempia korkeuksia. Hiukkasfysiikassa on kuitenkin kaksi lähestymistapaa teorioihin: top-down ja bottom-up. Edellisessä kasataan hyvin yleinen teoria matemaattisista ja esteettisistä periaatteista lähtien ja katsotaan, millaisia seurauksia sillä on. Jälkimmäisessä lähdetään tunnettujen asioiden tienoilta, yritetään ratkaista rajattuja ongelmia ja edetään askel kerrallaan.

Tunnetuin esimerkki onnistuneesta huipulta löytyneestä teoriasta on yleinen suhteellisuusteoria. Havainnoilla oli sen muotoilussa vain vähäinen rooli, sen sijaan Albert Einstein, David Hilbert, Michele Besso ja Marcel Grossmann perustivat työnsä filosofisiin ja matemaattisiin pohdintoihin. Yleistä suhteellisuusteoriaa on testattu tarkkaan, ja se on yli sadan vuoden ajan ennustanut tarkasti ilmiöitä, joista ei sitä kehitettäessä ollut vielä aavistustakaan, GPS-satelliittien liikkeistä maailmankaikkeuden laajenemiseen ja mustien aukkojen törmäyksistä syntyviin gravitaatioaaltoihin. Einsteinin ja Hilbertin vuonna 1915 esittämästä yleisen suhteellisuusteorian muotoilusta ei ole tarvinnut yli sadan vuoden aikana muuttaa piiruakaan – ellei sitten kiihtyvään laajenemiseen liittyvän kosmologisen vakion osalta.

Tämä on poikkeuksellista. Kosminen inflaatio tarjoaa tyypillisemmän esimerkin teorioiden kehityksestä. Sen lähtökohtana oli yksinkertainen ongelma: miksi maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta joka suunnassa? Koska valo kulkee äärellisellä nopeudella ja maailmankaikkeus on äärellisen ikäinen, vaikuttaisi siltä, että kaukana toisistaan olevat alueet eivät ole ehtineet olla kosketuksissa. Miten ne siis tietävät olla samanlaisia?

Ongelmaa yritettiin 1960-luvulta lähtien ratkaista yleisen suhteellisuusteorian parissa niin kutsutulla Mixmaster-mallilla (suomeksi siis tehosekoittimella), jossa eri alueet sekoittuvat varhaisina aikoina. Nämä yritykset eivät johtaneet tyydyttävään selitykseen, ja vastaus löytyi eri suunnasta.

Vuonna 1980 Aleksei Starobinsky esitti, että kvanttifysiikan korjaukset yleiseen suhteellisuusteoriaan johtavat kiihtyvään laajenemiseen varhaisina aikoina. Starobinsky ei yhdistänyt malliaan kysymykseen sitä, miksi maailmankaikkeus näyttää samalta kaikkialla. Mutta heti samana vuonna Demosthenes Kazanas selitti, miten kiihtyvä laajeneminen voisi ratkaista ongelman.

Kazanas esitti, että jossain hiukkasfysiikan yhtenäisteoriassa on Higgsin kentän kaltainen kenttä, jonka tyhjiön energiaan liittyvä gravitaatio on hylkivää. Tämä saa aikaan kiihtyvän laajenemisen ja avaruuden osat työntyvät pois toisistaan niin nopeasti, että valo ei ehdi kulkea niiden välillä. Tällä tapaa pieni tasainen alue, jonka kaikki osat ovat aluksi kosketuksissa toisiinsa, pullistuu näkemäksemme maailmankaikkeudeksi.

Kazanasin työ unohtui vuosikymmeniksi – en tiedä miksi. Vieläkin inflaation isänä mainitaan usein Alan Guth, joka on pokannut siitä palkintojakin. Guthin artikkeli ilmestyi vuonna 1981, ja sen perusidea oli sama, minkä Kazanas oli jo esittänyt, vaikka Guthin käsittely olikin laajempi ja selkeämpi. Guth myös otti käyttöön termin inflaatio. Vuonna 1981 myös Katsuhiko Sato esitti saman idean Guthista riippumattomasti.

Joka tapauksessa osoittautui, että Kazanasin, Guthin ja Saton malli ei sellaisenaan sovi havaintoihin. Siinä varhaiset pienet alueet paisuvat kuin saippuakuplat, jotka inflaation loputtua törmäävät toisiinsa. Näiden törmäysten takia taivas näyttäisi enemmän vaahtomaiselta kuin tasaiselta. Mutta pian hahmotettiin, että laajeneminen on helppo saada kiihtymään hiukkasfysiikan kentillä muutenkin kuin tyhjön energiaa käyttämällä. Se onnistuu jopa Standardimallin Higgsillä, ilman tarvetta yhtenäisteorialle tai uusille kentille.

Tehosekoittimien kanssa puuhastelleet yleisen suhteellisuusteorian asiantuntijat eivät olleet hahmottaneet mahdollisuutta ongelman ratkaisemiseen kiihtyvällä laajenemisella. Idea ei lopulta ole monimutkainen, mutta monet suhteellisuusteoreetikot olivat omaksuneet sen ajatuksen, että aineella ei yksinkertaisesti voi olla sellaisia ominaisuuksia, jotka johtavat kiihtyvään laajenemiseen. Tarvittiin hiukkasfyysikoita toteamaan, että tunnettujen kenttien ominaisuudet itse asiassa ovat juuri sellaisia.

Jotkut suhteellisuusteoreetikot vastustivat inflaatiota vielä pitkään. Tämä on sinänsä huvittavaa, että inflaatio oli yksi hedelmällisimpiä asioita, mitä yleisen suhteellisuusteorian kentällä oli tapahtunut vuosikymmeniin. Inflaation vierastaminen johtui samasta syystä kuin sen hedelmällisyys: idea ylitti tieteenalan rajat tuomalla uusia ideoita hiukkasfysiikasta.

Lähes heti hahmotettiin, että inflaatio ei selitä vain sitä, miksi maailmankaikkeus näyttää suunnilleen samalta kaikkialla, vaan myös sen, mistä pienet erot johtuvat. Viatcheslav Mukhanov ja Gennady Chibisov laskivat vuonna 1981 Starobinskyn mallin puitteissa, miten kvanttivärähtelyt synnyttävät tyhjästä epätasaisuuksia, jotka voivat olla kaiken rakenteen siemeniä.

Näitä värähtelyjä tapahtuu niin aineessa kuin aika-avaruudessa, eli inflaatio yhdistää kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian. Inflaatio onkin ensimmäinen fysiikan alue, missä on tehty ennusteita kvanttigravitaatiosta ja onnistuneesti verrattu niitä havaintoihin. Koska alhaalta ylös lähdettäessä ei ole yleistä periaatetta, joka määräisi yksityiskohdat, on kuitenkin satoja erilaisia inflaatiomalleja.

Kunnianhimoiset syviin periaatteisiin pohjaavat ehdotukset kvanttigravitaatioteorioiksi kuten säieteoria ja silmukkakvanttigravitaatio eivät sen sijaan ole (ainakaan vielä) johtaneet valmiiseen teoriaan, joka tekisi ennusteita. Kvanttigravitaation saralla vaatimattomuus on ollut hyve. Säieteoria on tosin poikinut fysiikan ulkopuolella, kun sen kautta on löydetty matemaatikkoja kiinnostavia matemaattisia rakenteita.

Standardimallin kehittäminen oli kenties hiukkasfysiikan ja kosmologian saralla viimeinen tapaus, missä hienostuneiden teoreettisten rakenteiden kehittäminen menestyi, joskin se yhdistyi teorian kasaamiseen pala palalta kasaamisen. Suuri osa fysiikasta on teorioiden rakentamista tunnettujen asioiden tiimoilla, ja pieni osa on suurten ideoiden kehittelyä. Valtaosa yrityksistä kummallakaan saralla ei johda mihinkään. Viime aikoina ylös askel kerrallaan taapertava lähestymistapa on ollut menestyneempi, mutta on mahdoton sanoa, kumpi reitti vie seuraavaksi uuden äärelle.

8 kommenttia “Ylös pohjalta”

  1. Mistä inflaatio tiesi loppua eri alueissa samaan aikaan, jotta tuloksena oli homogeeninen maailmankaikkeus? Inflaatioperiodi kaiketi koostui kymmenistä e-kertaistumisista ja lopputuloksessa kuitenkin vain sadastuhannesosan tiheyserot.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Inflaatiossa kentän potentiaalista aiheutuva voima ja maailmankaikkeudesta laajenemisesta aiheutuva kitka ovat tasapainossa, joten kiihtyvyys on suunnilleen nolla. Tämän takia kentällä ei ole muistia aiemmasta, tuleva kehitys riippuu vain sen nykyisestä arvosta. Tämä on kuin laskuvarjolla putoaisi.

      Inflaatio toisaalta pyyhkii pois klassisen fysiikan mukaiset epätasaisuudet kentän arvossa, jäljelle jää vain kvanttifluktuaatiot, jotka on tosiaan ovat 10^(-5) luokkaa.

    2. Oliko siis niin että inflaation aikana oli tilaparametrina olemassa vain inflatonikentän arvo, eli ei baryonista muttei myöskään pimeää ainetta, jotka molemmat syntyivät vasta inflatonin hajotessa hiukkasiksi? Jos näin on, niin saisiko tästä jotain rajoitteita pimeän aineen mahdollisille malleille?

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Mitä tahansa ainetta ennen inflaatiota olikin, kiihtyvä laajeneminen pian pudottaa kaikkien muiden paitsi skalaarikenttien energiatiheyden mitättömän pieneksi.

        Tosin ei tiedetä mitä ennen inflaatiota oli. Ei myös olla varmoja siitä, miten inflaatio alkoi.

  2. Ilkka Seittenranta sanoo:

    Ulkopuolisena tulee ihmeteltyä sitä että että aineen ylipäätään oletetaan olevan jotain pysyvää, voisi olettaa että aineen aivan pienin rakenneosanen on mahdoton havaita ja sen olemus joudutaan päättelemään – tässä vaiheessa fyysikot joutuvat perääntymään tavasta havaita ja osoittaa jotain.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En ole varma siitä, mitä tarkoitat sillä, että aine on pysyvää. Useimmat hiukkaset ovat epästabiileja, ja stabiilitkin hiukkaset voivat tuhoutua.

      Sen mitä voi olla olemassa ja mitä voi havaita voi osoittaa vain tutkimus.

  3. Jyri T. sanoo:

    Mustan aukon säteily (Hawkingsin säteily) perustuu siihen, että musta aukko luo horisontin aika-avaruuteen. Oliko inflaation aikana vastaavaa säteilyä, kun laajeneminen synnytti samantyyppisen horisontin (tosin nurin päin)? Oliko sillä merkitystä energiatiheyden kannalta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mainio kysymys, joka menee vähän kauas, mutta yritän kuitenkin vastata lyhyesti.

      Mustan aukon horisontti on (ilman Hawkingin säteilyä) ikuinen, eli tapahtumahorisontti.

      Inflaation aikainen horisontti ei ole ikuinen (koska inflaatio loppuu) eli se ei ole tapahtumahorisontti.

      Jos nykyinen kiihtyminen jatkuu loputtomiin, kyseessä on tapahtumahorisontti, ja siihen oletettavasti liittyy Hawkingin säteilyä. (Ei ole yksimielisyyttä siitä, liittyykö ei-ikuiseen horisonttiin tällaista säteilyä.)

      Joka tapauksessa kosmisen horisontin aiheuttama säteily inflaation aikana on mitättömän pientä verrattuna inflaation aiheuttavan kentän vaikutukseen. Jos nykyinen kiihtyvä laajeneminen jatkuisi ikuisesti, näin ei välttämättä ole, vaan horisontin Hawkingin säteily saattaa lopettaa sen. Tommi Markkanen (jonka kanssa minulla on joskus ollut yhteistyötä, ei tosin tästä) on tutkinut aihetta, mutta näitä asioita ei tiedetä varmasti.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Tieteellisten lehtien tulevaisuus täällä tänään

8.2.2019 klo 14.49, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin overlay-lehteen Open Journal of Astrophysics blogitekstin tieteellisen julkaisemisen kriisistä. Kirjoitin samasta aiheesta lyhyemmän tekstin Twitterissä (helpommin luettava versio täällä). Olen kirjoittanut aiheesta suomeksi täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä; muutaman vuoden takainen puheeni asian tiimoilta löytyy täältä.

Blogitekstin ingressi on tämä:

The bad news: the scientific community can no longer afford commercial science journals.

The good news: the scientific community no longer needs commercial science journals.

The bottom line: open internet archives and overlay journals are the solution.

Lyhyesti sanottuna:

We do not need to reform the business model of scientific journal publishing, we have to abandon it.

2 kommenttia “Tieteellisten lehtien tulevaisuus täällä tänään”

  1. 7v sanoo:

    Millä tavoin kirjoituksesi on
    otettu vastaan? Äkkiä luulisi että
    rahoitus on niin keskeinen osa
    erinlaisia julkaisuja tänä päivänä
    että laatu kärsisi väistämättä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hyvin positiivisesti.

      Tieteellisten lehtien rahoituksella ei ole mitään tekemistä niissä julkaistavien artikkeleiden laadun kanssa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Alas huipulta

30.1.2019 klo 21.56, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Sain tietää, että edellisessä merkinnässä kommentoimani Ylen artikkeli antiuniversumiin liittyvästä spekulaatiosta on saanut poikkeuksellisen paljon huomiota: sillä on yli 120 000 klikkausta ja tekstistä on luettu keskimäärin 75% (miten tämä sitten onkaan arvioitu). Vastasin jatkojutussa (ilmestynee pian julkaistu täällä) lukijoiden kysymyksiin aiheen tiimoilta.

En tiedä pitäisikö jutun suosion palauttaa vai horjuttaa uskoani tiedejournalismiin, mutta se sai minut miettimään fyysikoiden suhdetta teoreettisiin kehitelmiin.

Ehdotus antimaailmankaikkeudesta lienee herättänyt mielenkiintoa suuren yleisön parissa, koska idea tuntuu hurjalta, mutta siitä on helppo saada kiinni. Tutkijat hahmottavat oman alansa teorioita eri tavalla, eikä tämä Boylen, Finnin ja Turokin spekulaatio ole teoreettisen kosmologian kannalta kovin hurja. Se on tunnetun fysiikan yksinkertainen jatke, johon ei liity uudenlaisia matemaattisia rakenteita, eikä se tarjoa entistä parempaa vastausta ongelmiin.

Ihmetyksen tuntua herättävät sen sijaan teoriat, joissa todellisuuden alta paljastuu uudenlainen matemaattinen rakenne, jossa vanha tieto asettuu uuteen valoon ja joka ratkaisee nykyisiä ongelmia. Kyse ei ole niinkään siitä, minkälaisia teorian kuvaamat ilmiöt (olivatpa ne vaikka ylimääräisiä maailmankaikkeuksia) ovat, vaan siitä, millaisia sen lait –muodot muotojen takana– ovat.

Tämä on avain siihen, miksi säieteoria (hitaan alun jälkeen) otettiin 1980-luvulla haltioituneesti vastaan. Teoriassa oli aivan uudenlainen matemaattinen rakenne. Sen ristiriidattomuus vaikutti yllättävältä, kuten myös se, että teoria tuotti uusista lähtökohdista samankaltaista fysiikkaa kuin mitä jo tunnettiin, mennen kuitenkin entistä tietoa kauemmas. Säieoria ei ole lunastanut suuria lupauksia, mutta sen arvostus on jatkunut pitkälle, vaikka onkin hiipumaan päin. (Esimerkiksi nykyään kuulee letkautuksia siitä, tutkitaanko jotain asiaa ”tosimaailmassa vai säieteoriassa”.)

Muistan miten avartavalta tuntui fysiikkaa opiskellessa tutustua ensin klassiseen mekaniikkaan  ja sähkömagnetismiin, sitten kvanttimekaniikkaan, suppeaan ja yleiseen suhteellisuusteoriaan, kvanttikenttäteoriaan, supersymmetriaan, supergravitaatioon ja lopulta säieteoriaan. Jokainen teoria rakentui edellisten pohjalle, sisälsi ne ja ylitti ne. Teorioiden lähtöoletukset osoittautuivat seurauksiksi yhä perustavanlaatuisemmista ja kauniimmista laeista. Esimerkiksi Newtonin toinen laki (kiihtyvyys on verrannollinen voimaan) seuraa yleisessä suhteellisuusteoriassa siitä, että kaikki tavat luetteloida aika-avaruuden pisteitä ovat yhtä päteviä.

Opinnot olivat kuin kiipeämistä yhä korkeammalle, kohti hienosyisempää ymmärrystä todellisuudesta. Pidemmälle kehiteltyjen teorioiden hahmottaminen vaati myös kehittyneempien matemaattisten työkalujen opettelemista. Helposti arvostaa sitä, mikä on ymmärryksen rajoilla ja mikä on vaikeaa, ja teoreettiset rakennelmat saattavat herättää ihailua siksi, että niissä käytetty matematiikka on vaativaa.

Vuoren huipulle päästyä vaikutelma voi kääntyä uskomukseksi siitä, että oma hahmotuskyky on kirkkaampi kuin niiden, jotka pelaavat karkeammalla kädellä. Hiukkasfysiikkaa läheisenä ulkopuolisena seurannut fyysikko Philip Anderson kirjoitti vuonna 2011 kirjassaan More and Different: Notes from a Thoughtful Curmudgeon, että ”kvanttikenttäteoria on magneetti häikäilemättömän loistaville, ylimielisille, elitistisille nuorille miehille”. Hän oli myös sitä mieltä, että alan on pelastanut ”narsistiselta jämähtämiseltä” vain se, että sen harjoittajat ovat usein niin älykkäitä, että heidän mielensä on avoin.

Andersonin arvio oli sikäli huonosti ajoitettu, että teoreettinen hiukkasfysiikka vaikuttaa 2000-luvulla jääneen polkemaan paikalleen. Erityisesti maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen selitykseksi hinatun multiversumi-idean suosio vaikuttaa perustuvan osittain ajatteluun, että jos me emme ole keksineet ratkaisua johonkin ongelmaan, niin ratkaisua ei ole olemassa. Ehkä aiempina vuosikymmeninä hiukkasfyysikoita ei pelastanut heidän avomielisyytensä, vaan virta koetuloksia, joka auttoi teoreettisten ideoiden seulomisessa ja muotoilemisessa.

Pitkälle menevän matematiikan omaksuminen vaatii tiettyä älykkyyttä, mutta matemaattisesti hienostuneempien mallien kanssa työskentely ei tarkoita sitä, että on fiksumpi, vain sitä, että on opetellut käyttämään erikoistuneempia työkaluja. Fysiikan kannalta on kuitenkin oleellista, mitä työkaluilla saa aikaan.

Rakastan yhä teoriaa, mutta olen hiljalleen oppinut arvostamaan myös kokeellisten fyysikoiden ja havaitsijoiden taitoja ja saavutuksia. Hiukkaskosmologian suurimmat edistysaskeleet viimeisten 30 vuoden aikana ovatkin tulleet havainnoista, eivät teoriasta. Saa nähdä kauanko tämä jatkuu, ja koska teorian seuraava kerros saadaan kuorittua esiin.

Päivitys (03/02/19): Lisätty linkki Ylen jatkojuttuun.

9 kommenttia “Alas huipulta”

  1. Muistan tuon saman avartavan ketjun, paitsi että supersymmetriaa en ymmärtänyt, joten oma ketjuni päättyi siihen. Ihmettelin ja päädyin ajattelemaan että jos tuo on totta, niin sen keksijät ovat valtavan paljon itseäni fiksumpia.

    Mutta niinhän se on että fysiikka on havaitseva tiede, ja kiihtyvästä laajenemisesta tuli juuri vähän lisää dataa, joka näyttäisi puoltavan että pimeän energian tilanyhtälö riippuisi ajasta, https://arxiv.org/abs/1811.02590 .

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Erittäin kiinnostava tulos, jos pitää paikkansa, mutta olen epäileväinen sen suhteen, miten hyvin kvasaarien etäisyydet tunnetaan (en tosin tunne heidän mainitsemaansa uutta metodiaa).

      Ja löydön tilastollinen merkitys on arvioitu epäluotettavasti. Luotettavampaa olisi verrata joko goodness-of-fittiä (parametrien määrän huomioon ottaen) verrattuna vakioon tai bayesilaista evidenceä. Fittaamalla funktioita etäisyyteen ja katsomalla paljonko ne eroavat vakiosta voi päätyä virheellisiin johtopäätöksiin, kuten on pimeän energian suhteen huomattu.

  2. aino sanoo:

    Mielenkiintoinen kirjoitus. Kiinnostaisi tietää, mikä alan tutkijalle on teoreettisessa fysiikassa haastavinta? Oppiiko esimerkiksi matematiikkaa käyttämään niin sujuvasti, ettei varsinainen laskeminen enää tunnu vaikealta? Itselläni fysiikan opiskelu jäi siihen, kun yliopistossa huomasin sen sisältävän hyvin vähän olemisen pohdiskelua ja hirveästi integroimista.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Matematiikan käyttäminen on elimellinen osa fysiikan ajatteluprosessia – osa siitä on vaikeampaa, osa helpompaa. Vähän kuin kysyisi urheilijalta, onko työhön kuuluva fyysinen harjoittelu vaikeaa.

  3. alex sanoo:

    Miksi nykyään ei luennoida susy, sugra tai edes qft kaarevassa avaruudessa? Hiukkaspuolen kursseilla käydään samat asiat joka kurssilla, mutta eri kurssikoodilla Zzzz

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hyvin erikoistuneita kursseja ei luennoida säännöllisesti, mutta Esko Keski-Vakkuri on luennoinut kaarevan avaruuden kvanttikenttäteoriaa silloin tällöin. Voisi olla paikallaan sitä taas luennoida.

      Ensi syksynä Javier Rubio luennoi inflaatioon erikoistuneen kurssi, jossa pääsee soveltamaan hiukkasfysiikkaa eri näkökulmasta – kaarevan avaruuden kvanttikenttäteoriaa siinäkin, vaikka yksinkertaisemmin kuin Keski-Vakkurin kurssilla.

  4. Jussi Suutala sanoo:

    Miten silmukkakvanttiteoriassa selitetään avaruuden laajentuminen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kysymys menee sen verta ohi merkinnän aiheesta, että ei siitä sen enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Eilispäivän rohkeutta

24.1.2019 klo 21.45, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Yle julkaisi toissaviikolla uutisen, joka oli varustettu otsikolla Hurja teoria: Alkuräjähdys synnytti myös antimateriasta koostuvan antiuniversumin, jossa aika kulkee taaksepäin. Juttu käsittelee Latham Boylen, Kieran Finnin ja Neil Turokin kahta tieteellistä artikkelia viime maaliskuulta, joissa he esittivät idean pimeän aineen hiukkasesta ja vaihtoehdon kosmiselle inflaatiolle.

Minua haastateltiin juttuun: ingressissä lukee paikkansapitävästi, että en ”liputa puolesta eikä vastaan”. Boylen ja kumpp. ehdotus on saanut paljon huomiota mediassa: Yle viittaa PhysicsWorldin artikkeliin (joka saa, ihmeellistä kyllä, vapaan tahdon sotkettua soppaan). Niinpä ajattelin kirjoittaa hieman ehdotuksen taustoista ja laittaa sen jonkinlaiseen kehykseen.

Kosminen inflaatio on menestynein selitys varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumille. Sen mukaan maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin varhaisina murto-osina avaruuden laajeneminen kiihtyi. Kiihtyvä laajeneminen teki maailmankaikkeudesta tasaisen ja selittää, miksi se näyttää samanlaiselta kaikkialla. Inflaation loputtua siitä vastuussa oleva kenttä (ehkä Higgsin kenttä) hajoaa aineeksi. Tämä selittää kaiken aineen alkuperän. Inflaation aikaiset kvanttifluktuaatiot synnyttivät kenttään epätasaisuuksia, jotka aine perii. Tämä selittää maailmankaikkeuden kaiken rakenteen alkuperän yksityiskohtaisesti.

Boyle, Finn ja Turok ehdottavat, että kosmista inflaatiota ei tapahtunut. Sen sijaan he esittävät, että samalla kun maailmankaikkeutemme syntyi, syntyi myös toinen maailmankaikkeus, jossa aika kulkee vastakkaiseen suuntaan. Jossain mielessä tämä toinen maailmankaikkeus on siis menneisyydessämme ajassa ennen alkuräjähdystä. On kuitenkin ehkä havainnollisempaa sanoa, että kyseessä on erillinen maailmankaikkeus, joka on meissä kiinni alkuräjähdyksen kohdalla ja jossa aika menee eteenpäin, koska meillä ei ole mitään tapaa saada sieltä viestejä.

Yksi syy siihen ehdotuksen saamaan huomioon on varmaankin ajan taaksepäin kulkemiseen liittyvä scifistinen ihmetyksen tuntu. Ideasta voi saada kiinni ilman erityistuntemusta, mutta samalla se herättää tuntemuksia arjen tuolta puolen. (En ole itsekään viaton mitä scifiin tulee, käytettyäni televisiosarjasta Dr Who englanninkieleen tarttunutta termiä Tardis artikkelin otsikossa, helposti arvattavin seurauksin.)

Boylen ja kumpp. ehdotuksessa on muutama puute: toisin kuin inflaatio, se ei selitä miksi avaruus näyttää samanlaiselta kaikkialla ja tasaiselta, miten kaikki aine on syntynyt ja mistä maailmankaikkeuden rakenne on peräisin. Tämä inflaation vaihtoehtona markkinoitu idea ei siis selitä mitään niitä keskeisiä asioita, jotka inflaatio selittää, ja joista monet se on ennustanut. Poikkeuksena on pimeän aineen synty, josta Boyle ja kumpp. esittävät mielenkiintoisen (ja spekulatiivisen) idean. Esityksen ennusteet liittyvätkin lähinnä pimeään aineeseen, jonka he esittävät koostuvan paljon tutkitusta ehdokkaasta, steriileistä neutriinoista.

Kyseessä ei siis ole inflaatiolle vaihtoehtoinen teoria, vaan hahmotelma, josta voidaan kenties kehittää toimiva vaihtoehto – tai sitten ei. Boyle ja Turok lupaavat palata keskeisiin kysymyksiin piakkoin. On tavallista ja ymmärrettävää, että kun esittää vaihtoehtoisen tavan tehdä jotain, ei pysty heti selittämään kaikkea yhtä perusteellisesti kuin mitä sadat tutkijat ovat vuosikymmeniä tunnettuja ideoita syynäämällä tehneet. Ideoiden kypsytteleminen tarvitsee usein aikaa.

Boylen ja kumpp. ehdotus ei kuitenkaan tule täysin puskasta. Idealla alkuräjähdyksen tuolla puolen olevasta toisesta maailmanajasta on pitkä historia. Säieteorian kehittäjiin kuuluva Gabriele Veneziano esitti vuonna 1991, että ennen alkuräjähdystä oli olemassa meidän maailmankaikkeudellemme tietyssä mielessä vastakkainen maailmankaikkeus.

Tämän pre-big bang -skenaarion mukaan maailmankaikkeus ensin romahti äärettömän kauan, kunnes romahdus pysähtyi ja maailmankaikkeus rupesi laajenemaan. Nytkähdys romahduksesta laajenemiseen on se, mitä olemme pitäneet alkuräjähdyksenä.

Pre-big bang -skenaario oli aito vaihtoehto inflaatiolle. Sen mukaan maailmankaikkeuden rakenteen siemenet syntyivät pitkän romahduksen aikana, ja se ennusti millaisia ne ovat. Valitettavasti ennuste ei vastannut 90-luvun kuluessa tehtyjä tarkkoja havaintoja kosmisesta mikroaaltotaustasta ja galaksien jakaumasta taivaalla. Esitettiin erilaisia tapoja tilanteen korjaamiseksi. (Sattumoisin ehkä oivaltavimman ehdotuksen esittivät Kari Enqvist ja hänen ohjauksessaan samaan aikaan kanssani väitöskirjaa tehnyt huonetoverini Martin Sloth.) Idean toinen heikko kohta oli kääntyminen romahduksesta laajenemiseen. Yleisessä suhteellisuusteoriassa alkuräjähdyksestä ei voi jatkaa taaksepäin: säieteoriassa se voi olla mahdollista, mutta asiaa ei saatu selitettyä tyydyttävästi.

Seuraava kehitysvaihe alkoi vuonna 2001, jolloin jatko-opiskelija Justin Khoury, säieteoreetikko Burt Ovrut ja kosmologit Paul Steinhardt ja Neil Turok esittivät uuden vaihtoehdon inflaatiolle, jonka he nimesivät stoalaisesta filosofiasta poimimallaan termillä ekpyroottiseksi skenaarioksi. (Sattumoisin tein Kari Enqvistin ja Esko Keski-Vakkurin ohjauksessa väitöskirjan tämän ehdotuksen tiimoilta.) Idea sai julkisuutta lehdistössä siinä määrin, että inflaatiota kehittänyt ja reviiriään terhakkaasti puolustava Andrei Linde lohkaisi sen olevan ”huono idea, josta pitävät vain journalistit”.

Ensin ajatuksena oli, että maailmankaikkeutemme on neliulotteinen siivu korkeampiulotteisessa avaruudessa, ja alkuräjähdyksessä on kyse siitä, että se tormää toiseen siivuun. Törmäyksestä syntyvä ilotulitus synnyttää aineen, ja siivujen kuprut toimivat rakenteen siemeninä.

Mallissa ilmeni pian vikoja – inflaatioväen ohella Veneziano oli kärkkäimpänä osoittamassa erinäisiä ongelmia. Pian kehitettiin uusi versio, syklinen maailmankaikkeus, jossa ylimääräiset ulottuvuudet unohdettiin ja alkuräjähdystä edeltävä aika korvattiin romahduksella, pre-big bang -skenaarion tapaan. Romahduksen kääntäminen laajenemiseksi ja rakenteen siementen saaminen oikein vaivasivat tätäkin viritelmää, eikä se saanut merkittävää suosiota tutkijoiden keskuudessa.

Boylen ja kumpp. ehdotus ei siis ole uusi ja rohkea teoria, vaan viimeisin vedos kohta 30 vuotta vanhasta ideasta. Entiset ongelmat eivät ole menneet mihinkään, ja toistaiseksi Boyle ja kumpp. eivät ole yrittäneetkään selittää, miten maailmankaikkeudet voi yhdistää sujuvasti. Heidän tarkastelunsa ei päde alkuräjähdyksessä, jonka varassa koko idea pyörii. Inflaation yksi hyve taasen on se, että ei tarvitse välittää siitä, mitä inflaatiota ennen tapahtui.

PhysicsWorldin haastattelun mukaan Turok arvostelee inflaatiota siitä, että kuin Ptolemaioksen malli Aurinkokunnalle, se on vailla kunnon perusteita ja vaatii aina uutta säätöä sopiakseen havaintoihin. Itse asiassa inflaatio on perusteiltaan yksinkertainen idea, joka on kohta 40 vuoden ajan ennustanut havaintoja suurella menestyksellä, ja kuvaus sopii paremmin romahtavien tai aikakäännettyjen maailmankaikkeuksien eri versioihin.

Ylen juttu ei ole huono mitä tieteen esittelyyn tulee, mutta aina fyysikkojen puheita ei voi ymmärtää vain fysiikasta käsin, vaan täytyy myös tarkastella sosiologiaa. Steinhardt, joka vieläkin työskentelee syklisen mallin parissa, oli eräs ensimmäisistä inflaatiota tutkineista fyysikoista, mutta on sittemmin ruvennut esittämään kaikenlaista, ei aina aivan paikkansapitävää, arvostelua inflaatiota kohtaan omien ideoidensa pönkittämiseksi. Turok aloitti 80-luvulla inflaation vaihtoehtona esitettyjen kosmisten säikeiden parissa, ja on jatkanut oppositiossa halki vuosikymmenten.

On tervettä, että yleisesti hyväksyttyjä ideoita arvostellaan niin paljon kuin sielu sietää ja esitetään vaihtoehtoja, vaikka ne eivät täysin toimisikaan. Se, että kaikki kritiikittä toistaisivat yleisesti hyväksyttyjä ideoita olisi tieteelle vaarallisempaa kuin se, että joskus arvostellaan aiheetta. Tiedeuutisoinnin pohjalta on kuitenkin usein vaikea hahmottaa, mitä on hurjien puheiden takana.

10 kommenttia “Eilispäivän rohkeutta”

  1. Antti kangasvieri sanoo:

    Ovatko nämä mallit sukua syklisille malleille? Pikaisen maallikkopähkäilyn jälkeen isoimpana erona tuntuu olevan edellisen ”syklin” mahdollisesti ikuinen kesto.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Syklinen maailmankaikkeus on nimensä mukaisesti syklinen malli.

  2. Cargo sanoo:

    Saattaako tuo pelkän hypoteesin julkaiseminen kieliä ”akateemisesta paranoiasta”, eli pelosta että joku seminaarilla istunut Dr. Mulqvist scooppaa koko crackpot-teorian?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tuskin, enkä kutsuisi tätä ”pelkän hypoteesin julkaisemiseksi”.

  3. Theory of Everything by illusion sanoo:

    Jos verorahoitteinen YLE tekee juttuja täysin spekulatiivisestä fysiikasta, niin miksei samalla voida nostaa esiin kotimaisia tieteentekijöitä. Kysynpä vaan näin retorisesti. Ja nyt en puhu mistään tiedepalstojen anonyymeistä hörhöistä, vaan piinkovista tiedemiehistä, joilla on myös julkaisuja vyön alla, esim. vixra.org -sivustolla.

    Kunnia niille, joille se kuuluu.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllähän suomalaisistakin tieteentekijöistä kirjoitetaan.

      Spekulaatio on osa tiedettä.

      Sivustolle vixra.org laitettuja artikkeleita ei pidetä tieteellisinä julkaisuina.

  4. Markku Pörhönen sanoo:

    Mistä kyseiset tutkijat ovat tulleet ajatelmaan, että aika kulkisi päinvastaiseen suuntaan antimateriauniversumissa? Eikö meidän universumimme ajan kulkusuunta perustu kausaalilakiin, ensin syy, sitten seuraus. Toki kvanttimaailmassa ei aina tarvita syytä (esim. atomiytimen spontaani fissio). Siitä on kuitenkin matkaa kausaalilain kääntymiseen. Seuraako tuo ajan kulun suunnan muutos väistämättä mallin matemaattisesta sisällöstä vai onko se yksi vaihtoehto, jonka mallin tekijät sitten ovat valinneet malliinsa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kvanttikenttäteorian mukaan luonnonlait säilyvät samana, jos vaihtaa hiukkaset ja antihiukkaset toisikseen, peilaa avaruuden ja kääntää ajan suunnan. Artikkelin ideana on se, että toteutunut maailmankaikkeus (eivät vain luonnonlait) noudattaa kyseistä symmetriaa. Tällöin on olemassa toinen maailmankaikkeus, jossa aikasuunta on vastakkainen kuin meillä.

      Ylen jatkojutussa https://yle.fi/uutiset/3-10622794 totesin seuraavaa:

      ”Jos spekulaatio pitää paikkansa, antimaailmankaikkeuden asukkaat (jos sellaisia on) kokevat ajan kulkevan eteenpäin, kuten me. Ainakin näin luulisi – emme varmasti tiedä sitäkään, miksi koemme tässä maailmankaikkeudessa ajan kulkevan eteenpäin.”

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Täältäkin on turha etsiä seuraavaa Einsteinia

18.1.2019 klo 23.46, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun lauantaina 9.2. kello 14.15 Oulun Tieteen päivillä Oulun teatterissa samasta aiheesta kuin Helsingissäkin, eli Rohkeus ja rakenteet: miksi on turha etsiä seuraavaa Einsteinia. Jonkinlainen tiivistelmä puheesta löytyy täältä.

Puhun tästä myös keskiviikkona 10.4. kello 13.15 Mikkelin Tieteen päivillä Mikkelin lukiolla.

5 kommenttia “Täältäkin on turha etsiä seuraavaa Einsteinia”

  1. Cargo sanoo:

    No tuleeko mieleen yhtään fysiikan tekemisen yleisneroa, joka keksi itsenäisesti toimivia teorioita? Arkhimedes? Mitä enemmän olen fysiikan historiasta lukenut niin sitä enemmän alan olla sitä mieltä, että myös Einstein kuuluu samaan kategoriaan kuin Pythagoras, johon henkilöityvät monen tieteilijän saavutukset.

  2. Eusa sanoo:

    Metakeskustelu tieteilijöistä on varsin hedelmätöntä. Sama aika kannattaisi käyttää fysiikan sisältöihin.

  3. 7v sanoo:

    asiaa sivuten,

    onko eisteinin omalla kaiken teorialla
    mitään tieteellistä arvoa
    vaikka se jäikin yritykseksi?

    https://phys.org/news/2015-11-theory-stumped-einstein-dying-day.html

    https://www.youtube.com/watch?v=bPSy5vZN-go

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Siinä käytettyjä matemaattisia rakenteita on sittemmin kehitetty eteenpäin kiinnostavilla tavoilla. (Ei tosin vielä ole selvää, vastaavatko näin tehdyt teoriat todellisuutta.)

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *