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
- syyskuu 2020
- elokuu 2020
- kesäkuu 2020
- toukokuu 2020
- huhtikuu 2020
- maaliskuu 2020
- helmikuu 2020
- tammikuu 2020
- joulukuu 2019
- marraskuu 2019
- lokakuu 2019
- syyskuu 2019
- elokuu 2019
- heinäkuu 2019
- kesäkuu 2019
- toukokuu 2019
- huhtikuu 2019
- maaliskuu 2019
- helmikuu 2019
- tammikuu 2019
- joulukuu 2018
- marraskuu 2018
- lokakuu 2018
- syyskuu 2018
- elokuu 2018
- kesäkuu 2018
- toukokuu 2018
- huhtikuu 2018
- maaliskuu 2018
- helmikuu 2018
- tammikuu 2018
- joulukuu 2017
- marraskuu 2017
- lokakuu 2017
- syyskuu 2017
- elokuu 2017
- kesäkuu 2017
- toukokuu 2017
- huhtikuu 2017
- maaliskuu 2017
- helmikuu 2017
- tammikuu 2017
- joulukuu 2016
- marraskuu 2016
- lokakuu 2016
- syyskuu 2016
- elokuu 2016
- kesäkuu 2016
- toukokuu 2016
- huhtikuu 2016
- maaliskuu 2016
- helmikuu 2016
- tammikuu 2016
- joulukuu 2015
- marraskuu 2015
- lokakuu 2015
- syyskuu 2015
- elokuu 2015
- kesäkuu 2015
- toukokuu 2015
- huhtikuu 2015
- maaliskuu 2015
- helmikuu 2015
- tammikuu 2015
- joulukuu 2014
- marraskuu 2014
- lokakuu 2014
- syyskuu 2014
- elokuu 2014
- kesäkuu 2014
- toukokuu 2014
- huhtikuu 2014
- maaliskuu 2014
- helmikuu 2014
- tammikuu 2014
- joulukuu 2013
- marraskuu 2013
- lokakuu 2013
- syyskuu 2013
Viisareiden värähtelyä
Yhdysvaltalaisen NANOGrav-tutkimusryhmän jäsen Neil Cornish piti eilen etänä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarin NANOGravin tuoreista tuloksista, jotka saattavat vihjata gravitaatioaaltojen löytymiseen päin.
Kokeet LIGO ja Virgo näkevät nykyään gravitaatioaaltoja harva se viikko silloin kun ovat päällä, mutta NANOGravin tapauksessa on uutta sekä menetelmä että –jos on tosiaan löydetty gravitaatioaaltoja– aaltojen lähde.
NANOGrav tarkkailee pulsareita Linnunradassa. Pulsarit ovat neutronitähtiä (tai valkoisiksi kääpiöiksi kutsuttuja tiheitä tähtiä), jotka pyörivät hyvin nopeasti ja lähettävät sähkömagneettista säteilyä. NANOGravin seuraamat pulsarit viuhkivat akselinsa ympäri lähes tuhat kertaa sekunnissa: niiden pinta liikkuu lähellä valonnopeutta. Pulsari pursuttaa radioaaltoja kahteen suuntaan, jotka määräytyvät sen magneettikentästä. Niinpä pulsarin pyöriessä sen meille näkyvä signaali vilkkuu tiuhaan päälle ja pois (paitsi jos se ei koskaan osoita meihin päin).
Pulsarit ovat hyvin vakaita. Niinpä niitä voi käyttää tarkkoina kelloina: vajaa tuhat viisariniskua sekunnissa tekee vuodessa yli 10 miljardia lyöntiä. Olen jopa kuullut ehdotuksesta, että ajan yksikkö määriteltäisiin pulsarien avulla, mutta atomikellot taitavat kuitenkin olla luotettavampia.
Gravitaatioaallot havaittiin alun perin juuri pulsareiden avulla. Vuonna 1974 löydettiin ensimmäinen toisiaan kiertävän pulsarin pari. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, että pulsaripari ajautuu lähemmäs toisiaan, koska se menettää energiaa lähettämällä gravitaatioaaltoja. Signaalien muutoksesta saatiin tarkasti mitattua pulsarien liikkeet ja todettua, että ennuste pitää kutinsa. Tästä myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1993.
NANOGrav sen sijaan perustuu siihen, että meidän ja pulsarin välissä kulkevat gravitaatioaallot muuttavat pulsarin etäisyyttä meistä ja siksi sen radiosignaalien saapumisaikaa.
NANOGravin uudet tulokset perustuvat 12.5 vuoden havaintoihin 47 pulsarista väliltä 2004-2017. Havainnot osoittavat, että pulsarien kellonlyönnit muuttuvat välillä hitaammiksi ja sitten nopeammiksi jokusen vuoden jaksolla. Pulsarien signaali muuttuu yhteisellä tavalla, eli kyse ei voi olla muutoksista pulsareissa. Vaikutuksen koko on miljardisosan miljoonasosa, mikä tuntuu tavattoman pieneltä, mutta on silti miljoona kertaa isompi kuin LIGOn havaitsemien gravitaatioaaltojen korkeus.
Todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma, on noin 1:30 000. Hiukkasfysiikassa tämä ei riitä löytöön, vahvaan kiinnostukseen kylläkin. Mutta vaikka sattuman todennäköisyys olisi kuinka pieni, löytöä ei sovi julistaa ennen kuin kaksi ehtoa täyttyvät: systemaattiset virheet ymmärretään ja signaalilla on teoreettinen selitys.
Suunnilleen vuoden pituinen jakso on epäilyttävä, koska se on lähellä Maan kiertoaikaa Auringon ympäri, ja muutkin asiat Aurinkokunnassa kehittyvät suunnilleen samalla aikaskaalalla. Maapallon yläilmakehä ja Aurinkokunnan avaruussää (jota Helsingin yliopistossakin tutkitaan) muuttuvat ja vaikuttavat radioaaltojen kulkuun.
Analyysissä pitää myös tuntea Maapallon rata erittäin tarkasti, koska muutos signaalissa on hyvin pieni. On tärkeää, että epätarkkuus Jupiterin radassa on viime vuosina laskenut 50 kilometristä 10 kilometriin, ja Aurinkokunnan massakeskipisteen tunnetaan nyt 10 metrin tarkkuudella. Tähän on 1600-luvulta alkanut tarkka taivaan mallintaminen päässyt.
Tämä on esimerkki fysiikan eri alueiden yhteyksistä: kehitys yhdessä aiheessa voi mahdollistaa etenemisen aivan eri suunnassa. Avaruussäällä ja planeettojen radoilla ei ole gravitaatioaaltojen kanssa sinällään mitään tekemistä, mutta niiden ymmärtäminen on tärkeää niiden analysoimisessa.
Jos signaalin muutos liittyisi Maapallon liikkeisiin, niin havainnoissa näkyisi vaihtelu ei vain ajassa vaan myös paikassa: signaali olisi yhdessä suunnassa isompi ja toisessa pienempi sen mukaan, miten Maa kulkee. Havaintojen perusteella tämä vaihtoehto voidaan sulkea pois.
Myös gravitaatioaaltojen aiheuttama signaali riippuu suunnasta. Vesiaalto värähtelee ylös ja alas kohtisuoraan kulkusuuntaansa nähden. Samoin gravitaatioaalto värähtelee kohtisuoraan kulkusuuntaansa nähden. Mutta gravitaatioaalto ei värähtele vain yhdessä suunnassa, vaan tasossa, joka on kulkusuuntaan kohtisuorassa. Niinpä aallon kulkiessa Aurinkokunnan läpi pulsarien signaaleissa pitäisi näkyä teorian ennustama vaihtelu tasossa, joka riippuu aallon kulkusuunnasta.
Kuten NANOGrav-ryhmä korostaa, ennen tällaisen vaihtelun mittaamista ei voi väittää nähneensä gravitaatioaaltoja. Tästä on havainnoissa korkeintaan heikkoja merkkejä. Teoreettisesti odotettu vaihtelu on kuitenkin niin pieni, että sitä ei olisi voitukaan näistä havainnoista erottaa.
Kiinnostavin kysymys on se, että jos signaali on todellinen, niin mistä se on peräisin? Mikä tuottaa näin heikkoja aaltoja noin vuoden jaksolla?
Kärkiehdokas on kaksi jonkun galaksin keskustassa toistensa ympärillä pyörivää jättiläismäistä mustan aukkoa – sellaista, jonka Event Horizon Telescope kuvasi viime vuonna ja jollaisen löytämisestä Linnunradassa juuri myönnettiin Nobelin palkinto. Selityksen etuna on se, että tällaisia mustia aukkoja on todella olemassa, vaikka ei tiedetäkään kuinka usein ne pariutuvat.
Sopivia gravitaatioaaltoja voi syntyä myös kosmisessa inflaatiossa ensimmäisen sekunnin perukoilla, kvarkkien sitoutuessa hadroneiksi muutaman ensimmäisen mikrosekunnin aikana tai kosmisten säikeiden taitoksissa myöhäisempinä aikoina. Kaikki kolme jälkimmäistä vaihtoehtoa vaatisivat jotain uusia hiukkasfysiikan teorioita. Teoreetikoilla on niitä hyllyllä valmiina, ja kymmeniä uusia onkin jo esitetty.
Eri lähteiden synnyttämien gravitaatioaaltojen korkeus riippuu aallonpituudesta hieman eri tavalla, joten vaihtoehdot voidaan erottaa tarkemmilla havainnoilla – jos kyseessä on gravitaatioaallot.
Kun LIGOn herkkyys vuonna 2015 ylitti gravitaatioaaltojen havaitsemisen rajan, se keräsi sekunnissa tarpeeksi dataa löytöön. NANOGravin tapaus muistuttaa enemmän hiukkaskiihdyttimiä, missä näkyy ensin heikko signaali, joka tarkentuu, kun kerätään lisää dataa, ja lopulta joko osoittautuu olemattomaksi tai varmistuu.
Samanlaisia mittauksia ovat tehneet myös eurooppalainen ryhmä EPTA ja australialainen PPTA, ja kaikkien kolmen yhdistettyä dataa on jo alettu käydä läpi. Lisäksi NANOGrav parantaa analyysiään muun muassa tarkemmalla avaruussään mallintamisella, ja kerää lisää dataa.
Suurin merkitys on kuitenkin NANOGravin jo haavissa olevilla havainnoilla, joita ei ole vielä ehditty perata. Ryhmä analysoi par’aikaa vuoteen 2019 ulottuvaa 15 vuoden havaintoaineistoa, ja tuloksia sopii odottaa julki vuoden kuluttua. Tarkkuus kasvaa nopeasti lisädatan myötä, ja jos NANOGrav on nähnyt gravitaatioaaltoja, sillä on niistä tilastollisesti kiistaton todiste ensi vuonna.
11 kommenttia “Viisareiden värähtelyä”
Vastaa
Kosmologia ja ihmiskunta
Perjantaina 30.10. kello 15 puhun etänä kosmologiasta Helsingin yliopiston tiedekasvatuksen luentosarjassa. Luennot on suunnattu lukiolaisille. Opettajat voivat tiedustella osallistumiseen vaadittavaa salasanaa ja osallistumisohjeita tiedeluentojen koordinaattorilta osoitteesta iiris.lukkarinen@helsinki.fi. Luennon nauhoitus on vapaasti katsottavissa täällä.
Perjantaina 13.11. kello 18 puhun Maunula-talolla otsikolla Ihmiskunnan historia ajalta ennen Maapalloa. Edellisenä päivänä astrobiologi Kirsi Lehto puhuu kello 18 siitä, miten maailma on kehittynyt nykyiselleen. Molempina päivinä ennen luentoa kello 12-18 ambientklubi Lovin DJ:t soittavat musiikkia Maunula-talon aulassa. Koko tiedeviikonlopun ohjelma on täällä. Esitykseni nauhoitus on vapaasti katsottavissa täällä.
Päivitys (28/10/2020): Korjattu Maunulan puheen päivämäärä.
Päivitys (05/11/20): Lisätty linkki tiedekasvatusluennon nauhoitukseen.
Päivitys (14/11/20): Lisätty linkki Maunula-talon esityksen nauhoitukseen.
Vastaa
Kenties suurin mysteeri
Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehden Rihveli numerosta 2/2020 voi lukea kirjoitukseni Kenties suurin mysteeri pimeästä energiasta. Se alkaa näin:
”Maailmankaikkeuden laajeneminen on yksi kosmologian tärkeimpiä tutkimuskohteita, ja se on mullistanut ajattelua halki viime vuosisadan. Vuonna 1924 huomattiin, että Linnunrata onkin vain yksi galaksi lukemattomien joukossa. Sitä ennen luultiin, että Linnunradan ulkopuolella on vain tyhjää avaruutta. Tämä oli iso siirtymä: Nikolaus Kopernikus oli siirtänyt Maapallon pois Aurinkokunnan keskustasta, sitten ymmärrettiin tähtien olevan toisia aurinkoja, ja lopulta kotigalaksimmekin osoittautui vain yhdeksi kosmisen pölyn hiukkaseksi.”
Samassa numerossa on Kaisa Kankaan artikkeli Matematiikan rajoilla logiikasta ja todistamisesta.
7 kommenttia “Kenties suurin mysteeri”
-
Eusa sanoo:
Mitäpä sanot tämän päiväisestä uutisoinnista, että aurinkokunnan ulkopuolisen avaruuden hidashiukkastiheys on yli kolminkertainen konsensusmalliin verraten?
Riittäisikö tuollainen anomalia antamaan vettä pimeän aineen etsijoiden, pimeän (poukkoilu-)energian selvittäjien, lyhyempiä etäisyyksiä mallintavien tai jopa punasiirtymän massa-aalloilla väsymiseen uskovien myllyihin?
-
Syksy Räsänen sanoo:
Mihin uutiseen viittaat?
-
Tämä on vasta lähiseutua, mutta viittaa siihen, että Maasta käsin on varsin vaikeaa päätellä havainnoista ulkoavaruuden hiukkastiheyttä kertaluokkatarkkuudellakaan.
-
Näillä havainnoilla ei ole mitään tekemistä sen kanssa, miten maailmankaikkeuden ainesisältö määritetään kosmologisessa mittakavaassa. Tämä riittäköön tästä.
-
-
-
-
Cargo sanoo:
Jos pimeän energian energiatiheys säilyy samana maailmankaikkeuden laajetessa, niin eikö tilannetta voisi verrata jousen venymiseen ja siinä kertyvään potentiaaliin, joka on per pituus vakio? Ja voisiko olla jopa niin, että ajan myötä kaikki tavallinen energia muuttuu tuollaiseksi avaruuden potentiaalienergiaksi ja maailmankaikkeuden heiluriliike kääntyy kohti avaruuden kutistumista sekä tavallisen energian maksimia.
Kaisa Kankaan artikkeli ”matematiikan rajoista” on mainio, ja tavallaan siinä myös kerrotaan, missä kohtaa mennään käytännön rajoista yli. Tarkoitan siis joukko-opillista aksioomaa äärettömän joukon olemassaolosta, millä ei taida juuri olla tekemistä fysikaalisen maailman kanssa; ääretöntä ei voi ihmismieli ymmärtää, eikä se siksi ole mikään aksiomatisoitava itsestäänselvyys. Tulee myös muistaa, että käytännöllinen tietokonematematiikka perustuu äärelliseen lukujoukkoon sekä laskentaan. Äärettömän joukon avulla voidaan toki konstruoida reaaliluvut, mutta kylkiäisinä tulee loputon joukko ratkeamattomia, metamatemaattisia ongelmia, joilla ei ole yhtikäs mitään tekemistä luonnontieteiden kanssa.
-
Maailmankaikkeuden laajenemisen tutkiminen pohjautuu yleisen suhteellisuusteorian ymmärtämiseen. Vaikka tämäntyyppisiä kielikuvia joskus käytetään viestinnässä alan ulkopuolisille, niiden avulla ei voi tehdä tutkimusta. Vastaus on ei.
Äärettömän käsite on luonnontieteissä käytettävän matematiikan ytimessä. Mainitsemiesi reaalilukujen määrittely tietysti edellyttää sitä, samoin derivaatat, integraalit, ja niin edelleen.
-
-
Erkki Kolehmainen sanoo:
Puolalainen Mikołaj Kopernik syntyi Toruń’issa 19.2.1473. Hänen syntymäkotinsa on siellä ja nyt museona. Toruń’issa on myös kalteva torni, tosin ei niin korkea eikä näyttävä kuin Pisan, ja Kopernik’in mukaan nimetty yliopisto. Keskiaikainen Toruń on myös UNESCOn maailman perintökohde. Jos siellä päin Puolaa liikkuu, niin kannattaa poiketa.
Vastaa
Saman henkäyksen koskettama
Turun kaupungin taidemuseo WAMissa on taiteilija Rosa Barban näyttely Touched By The Same Breath Of Air, jossa käsitellään muun muassa tähtitiedettä. Näyttely on auki 10.1.2021 asti. Pidin avajaisissa torstaina 8.10. seuraavanlaisen puheen.
(Puhetta olisi voinut korjata sen verran, että monissa Henrietta Leavittin alkuperäisissä kuvissa on hänen merkintöjään. Alkuperäiset kuvat olisi siis voinut esittää inhimillisen ja epäinhimillisen kosketuspintana.)
Arvon kutsuvieraat, arvoisa museoväki.
Vuonna 1927 yhdysvaltalainen kirjailija H.P. Lovecraft kirjoitti novellin The Colour Out of Space, väri avaruudesta.
Lovecraftin tarinassa taivaalta iskeytyy Uuteen Englantiin kivi, joka myrkyttää maatilan ja aloittaa hirvittävien tapahtumien ketjun. Kun tieteilijät tutkivat kiveä, sen spektriviivat eivät vastaa mitään Maapallolla tunnettua ainetta, ja taivaallisen vieraan synnyttämä väri on meille kauhea, ”kosminen ja tunnistamaton”.
Lovecraftin kertoja kuvailee seuraavasti:
”Tämä ei ollut henkäys taivailta, joiden liikkeitä ja ulottuvuuksia tähtitieteilijämme mittaavat, tai määräävät liian valtaviksi mitata. Se oli vain väri avaruudesta – järkyttävä lähettiläs äärettömyyden muodottomilta seuduilta, kaiken tuntemamme luonnon tuolta puolen.”
Rosa Barba on valinnut näyttelynsä nimeksi Saman henkäyksen koskettama. Ilmaisu kääntää Lovecraftin fraasin ”tämä ei ollut henkäys taivailta” merkityksen, se tekee toisesta samaa. Ehkä ei ole väärin nähdä näyttelyn teosta The Color Out of Space avaimena Barban luomille projektoreiden, filminauhojen, tallenteiden, teräsputkien, valojen seuduille, missä tuonpuoleinen ja inhimillinen kohtaavat.
Lovecraftilla avaruus on perustavanlaatuisesti erilainen kuin meidän maailmamme, toisten lakien alainen.
Rosa Barban teoksessa The Color Out of Space tieteellisiin tarkoituksiin otetut kuvat kaukaisista ja vieraista seuduista on estetisoitu ihmisten mittoihin. Taivaan valot on kytketty tieteilijöiden, taiteilijoiden ja kirjoittajien ääneen, joka sitoo mittaamattoman avaruuden lohdullisen rajalliseen ymmärryksen työhön.
Teoksessa Drawn by the Pulse, pulssin vetämä, vilkkuvat tähtitieteilijä Henrietta Leavittin kuvat, joissa pienen Magellanin pilven tähdet näkyvät sellaisina kuin ne olivat 200 000 vuotta sitten, ajalla ennen kuin ihmiset osasivat puhua. Alkuperäisten kuvien sisällössä ei ole mitään inhimillistä, eikä niiden ottamisessa ole käytetty esteettistä harkintaa.
Teoksessa esille perattu analoginen filmi, kuten The Color Out Spacen peräkkäiset lasipaneelit, tuo mieleen avaruuden jäätyneen museon, jossa menneisyys on pysähtynyt katsottavaksemme.
Rosa Barba vangitsee tähtien hypnoosin ja yhdistää nämä värittömät otokset ihmisen lämpimään historiaan.
Sisarteoksessa Near the Small Magellanic Cloud, pienen Magellanin pilven lähellä, on otos Leavittin tieteellisestä artikkelista, jossa näkyy osa tähtien paikoista. Artikkeli on nykyään itsekin pala menneisyyttä, ja Leavittin sata vuotta vanhoilla kuvilla on lähinnä muistoarvoa.
Rosa Barba on verrannut aikaa monikerroksiseen lohkareeseen, jossa toistensa päällä olevat aikakaudet kehittyvät kuin muistot.
Kuvamme maailmankaikkeuden menneisyydestä tosiaan muovautuu ajan myötä, kun teemme uusia havaintoja ja löydämme hienompia teorioita. Mutta siinä missä ihmisen kuva tapahtuneesta varisee ja sekoittuu vuosien kuluessa, tieteen kuva tarkentuu ja valaistuu aiemmin tuntemattomilla väreillä.
Toisenkin kirjailijan haamu on läsnä tänä iltana, ei vain Lovecraftin. Teos Blind Volumes (Sokeita teoksia tai sokeita tiloja) viittaa argentiinalaisen kirjailijan -sokeutuneen kirjailijan- Jorge Luis Borgesin novelliin Baabelin kirjasto.
Tarinan kirjastossa on kaikki mahdolliset korkeintaan 410 sivua pitkät kirjat. Kertomus leikittelee kirjallisen luomisen arvolla ja Borgesille ominaiseen tapaan yhdistää kaksi vastakohtaa: kaikkien merkitysten summan ja täydellisen merkityksettömyyden.
Barban teoksessa Blind Volumes käytetyt teräskehykset ovat yleensä rakenteiden kantajia. Barba on laittanut ne kehystämään tyhjyyttä tavalla, joka yhdistää järjestyksen ja mielivaltaisuuden.
Borges oli leikkisä, ja ehkä teoksen voi hänen henkensä mukaisesti nähdä taiteilijan karikatyyrinä tieteestä – tieteestä joka kehystää ilmiöiden merkitykset samalla kun se riisuu maailman merkityksestä.
Tiede on osoittanut, että toisin kuin Lovecraftin tarinassa, todellisuudessa samat luonnonlait pätevät kaikkialla maailmankaikkeudessa. Mutta Lovecraft oli oikeassa siinä, että nämä lait ovat ihmiselle vieraita. Tieteen paljastama kuva ajasta, avaruudesta, aineesta, tapahtumisesta ja olemisesta osoittaa arkikäsityksemme tyystin virheellisiksi.
Maailman alaston toiseus voi synnyttää kauhua. Mutta se myös herättää ihmetystä, kun tiede irrottaa arjen palasia ja näyttää todellisuuden niiden alta, mielikuvituksen tuolta puolen.
Myös taide nyrjäyttää ajatteluamme irrottamalla käsitteitä tutuista lokeroista, luomalla uusia merkityksiä ja vaatettamalla maailman värikkääseen kuosiin.
Antautukaamme tänä iltana nyrjäytettäviksi.
4 kommenttia “Saman henkäyksen koskettama”
-
”Maailman alaston toiseus voi synnyttää kauhua. Mutta se myös herättää ihmetystä, kun tiede irrottaa arjen palasia ja näyttää todellisuuden niiden alta, mielikuvituksen tuolta puolen.”
Minäkö tyhmä? Nyt en ymmärrä? Tästä tuli déjà vu siitä ajasta, kun luin Oswald Spenglerin Länsimaiden perikato (Der Untergang des Abendlandes, suom. Yrjö Massa)-kirjaa. Kirjan lauseiden kaikki sanat saattoivat olla tuttuja ja ymmärrettäviä, mutta itse lauseiden tarkoitus ei aina auennut. M. A. Nummisen Muistelmat I Kaukana väijyy ystäviä-kirjan nimi huvittaa, koska siinä on tietoisesti tavoiteltu järjettömyyttä.
-
Alarik sanoo:
Pysähdyin itsekin kappaleen kohdalle, mutta eri syystä. Mielestäni metaforan värittämät sanat kuvaavat harvinaisen osuvasti ja kauniisti tunteiden kahtiajakautuneisuutta tieteen myllertämässä mielessä.
-
Eräs kahtiajakautuneisuuden muoto on kaksimielisyys, minkä voi saada aikaan tunnetusti sananmunnoksilla.
-
-
-
”Maailman alaston toiseus voi synnyttää kauhua.”
Todellakin, maailman alaston toiseus voi synnyttää kauhua, koska maailma on hallintamme ja myös ymmärryksemme tuolla puolen fysiikan hämmästyttävistä saavutuksista huolimatta. Tulee mieleen Jobin kirjan kirjoittajan näkemys Jumalan olemuksesta. Vahvaa tekstiä vaikkei Jumalaan uskoisikaan.
’Toiseus’ on kuitenkin mielenkiintoinen käsite siinä mielessä, että se on suhde: suhde puhujan ja sen toisen, siis maailman, välillä. Maailman toiseus on siis toiseutta suhteessa puhujaan, subjektiin, tietoisuuteen. Emme pääse eroon subjekti-maailma -suhteesta jos haluamme puhua todellisuudesta konkreettisessa mielessä, todellisuuden ontologisesta rakenteesta. Jos poistamme tästä suhteesta subjektin, maailma liukenee olemattomiin, eikä mitään ole. Jos poistamme siitä aineellisen maailman, subjektiakaan ei ole. Ja kuten jo kielioppimme sanoo, olemattomuutta ei ole. Siispä emme pääse eroon tietoisuudesta jos haluamme ymmärtää olemista. Fysiikka sulkeistaa tietoisuuden, koska ei tarvitse sitä osana käsitteistöään, mutta ei huomaa sen merkitystä kaiken tiedon ja olemisen transsendentaalisena ehtona. Ja siinä vaiheessa kun fysiikka yrittää selittää tietoisuuden olemassaoloa fysikalistisesta lähtökohdasta, mennään todella pahasti metsään, ja paljastuu fysiikan itseymmärryksen puute.
Vastaa
Luotettava ennustus ja tiheä kappale
Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti eilen myöntävänsä puolet tämän vuoden fysiikan Nobelin palkinnosta Roger Penroselle ”siitä löydöstä, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian luotettava ennustus” ja toisen puolen Reinhard Genzelille ja Andrea Ghezille ”superraskaan tiheän kappaleen löytämisestä galaksimme keskustasta”. (Suurelle yleisölle suunnattu selitys on täällä, tarkempi taustoitus täällä.)
Ghez on neljäs nainen, joka saa fysiikan Nobelin palkinnon. Ennen häntä olivat Marie Curie vuonna 1903, Maria Goeppert Mayer vuonna 1963 ja Donna Strickland vuonna 2018.
Tämä on toinen mustista aukoista annettu Nobelin palkinto. Se tulee pian törmäävien mustien aukkojen gravitaatioaalloista vuonna 2017 myönnetyn palkinnon jälkeen. Kuten silloin, nytkin palkinnon saavat kaksi havaintopuolen tutkijaa ja yksi teoreetikko.
Genzel ja Ghez johtavat kahta tutkimusryhmää, jotka ovat tarkkailleet Linnunradan keskustan tähtien liikkeitä 90-luvulta asti. Maapallo on 26 000 valovuoden päässä Linnunradan keskustasta, joten yksittäisten tähtien havaitseminen ja niiden liikkeiden seuraaminen tarkasti on melkoinen saavutus.
Tässä on Ghezin ryhmän 25 vuoden datasta tehty animaatio tähtien liikkeistä. Tähdet kiertävät tiheää kohdetta, jonka massa on noin neljä miljoonaa Auringon massaa. Lähin rata kulkee etäisyydellä, joka on muutama sata kertaa mustan aukon tapahtumahorisonttia isompi. Tämä on tarpeeksi lähellä, että yleisen suhteellisuusteorian korjaukset tähtien ratoihin on ollut mahdollista mitata, mutta niin kaukana, että mustan aukon nielusta ei saa tarkkaa kuvaa. (Galaksin M87 keskustan mustan aukon tapahtumahorisontin tienoot kuvannut Event Horizon Telescope -ryhmä on tehnyt havaintoja myös Linnunradan keskustasta, mutta data-analyysi ei ole vielä valmis.) Mutta on nähty infrapunavälähdyksiä etäisyydeltä, joka on 3-5 tapahtumahorisontin kokoinen.
Mikään tunnettu kappale ei voi olla näin tiheä ja himmeä, joten on päätelty, että kyseessä on musta aukko.
Toisin kuin vuoden 2017 palkinnon tapauksessa, teoreetikko Penrosen työ ei liity suoraan Genzelin ja Ghezin tutkimukseen, vaan on vaikuttanut merkittävästi taustalla. Penrose tunnetaan sekä matemaatikkona että fyysikkona. (Helsingin Keskuskatu on muuten päällystetty hänen kehittämällään Penrosen laatoituksella.)
Penrose on omaperäinen, kekseliäs ja matemaattisesti taitava tutkija, joka on kehittänyt monenlaisia ideoita. Nobelin palkinnon perusteeksi nostettiin se, että hän vuonna 1965 osoitti, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian väistämätön seuraus.
Ensimmäisen mustaa aukkoa kuvaava yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisun löysi fyysikko Karl Schwarzschild vain kuukausi sen jälkeen, kun fyysikko Albert Einstein ja matemaatikko David Hilbert julkaisivat yleisen suhteellisuusteorian lopullisen muotoilun. Schwarzschildin ratkaisu oli pallosymmetrinen, eli samanlainen kaikissa suunnissa. Vuosikymmeniä oli epäselvää, kuvaavatko tämän ratkaisun kummalliset piirteet todellisuutta, vai katoavatko ne, kun tarkastellaan ratkaisuja, jotka eivät ole aivan pallomaisia.
Näitä piirteitä ovat tapahtumahorisontti ja singulariteetti. Jos tarpeeksi massaa on tietyn säteen sisällä, niin mikään ei pääse pakenemaan sen sisältä, ei edes valo. Tämän säteen rajaamaa pintaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Mustan aukon keskustassa taasen on piste, jossa aika-avaruuden kaarevuus on ääretön ja yleinen suhteellisuusteoria ei päde.
Penrose osoitti lähtien hyvin yleisistä oletuksista, että kunhan tarpeeksi massaa on pakkautunut tietyn säteen sisään, niin se romahtaa mustaksi aukoksi, riippumatta siitä miten massa on jakautunut. Tämä todisti, että mustia aukkoja syntyy, jos yleinen suhteellisuusteoria pitää paikkansa. Palkinnon taustamateriaali loppuu seuraavaan muistutukseen:
“Se missä määrin tapahtumahorisontin ympäröimä musta aukon rakenne todella vastaa yleisen suhteellisuusteorian ennusteita on vielä avoin kysymys. Luonnolla voi olla yllätyksiä varastossa.”
Vuonna 1967, kaksi vuotta Penrosen tuloksen jälkeen, Stephen Hawking sovelsi samaa ideaa koko maailmankaikkeuteen. Hän osoitti että jos maailmankaikkeus laajenee, niin silläkin on jossain singulariteetti – mahdollisesti alussa. Kuten Hawkingin kuoleman jälkeen kirjoitin:
”Yhdessä Penrose ja Hawking osoittivat, että singulariteetit ovat yleinen ja oleellinen osa yleistä suhteellisuusteoria: voi sanoa, että yleinen suhteellisuusteoria ennustaa oman loppunsa (eli pätevyysalueensa rajallisuuden).”
Penrose myös keksi vuonna 1969 hänen nimeään kantavan Penrosen prosessin, jonka avulla voi kerätä energiaa pyörivistä mustista aukoista. Tämä hyvin teoreettinen idea oli sittemmin ponnahduslauta todellisten taivaalla näkyvien mustien aukkojen ympärillä pyörivien ainekiekkojen energiantuotannon ymmärtämiseen.
Penrose on myös rohkeasti esittänyt ideoita muun muassa maailmankaikkeuden alkuhetkistä, kvanttigravitaatiosta, kvanttimekaniikan ja tietoisuuden yhteydestä ja aaltofunktion romahtamisesta. (Aikoinaan ehdotin näitä Penrosen kvanttimekaniikkaan liittyviä ideoita pelin Quantum Break materiaaliksi Remedylle asiasta konsultoidessani; en tiedä mitä peliin lopulta päätyi.)
Penrose on ainoa tietämäni fyysikko, joka julkaisee merkittävää tieteellistä materiaalia suurelle yleisölle suunnatuissa kirjoissa. Onkin hämmentävää, miten paljon Penrosen edistynyttä matematiikkaa sisältäviä teoksia ostetaan.
Hän on kirjoissaan myös arvostellut valtavirtatutkimusta niin säieteorian kuin kosmisen inflaationkin osalta. Penrose on kehittänyt oman vaihtoehdon inflaatiolle, jossa maailmankaikkeuden vaiheet toistuvat alkuräjähdyksestä loppuun asti äärettömän monta kertaa. Penrose on yhdessä muiden tutkijoiden kanssa julkaissut artikkeleita, joiden mukaan kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyy merkkejä tällaisesta aiemmasta maailmankaikkeuden ajasta. Ainakin osan artikkeleista data-analyysi tosin on huolimatonta, eikä ole kestänyt lähempää tarkastelua. Kosmisen inflaation tueksi sen sijaan on paljon havaintoja.
Menneinä vuosikymmeninä hiukkasfysiikka kahmi Nobelin palkintoja vuosi toisensa perään, mutta vuoden 2012 Higgsin löytämisen jälkeen hiukkasfysiikan Standardimallissa ei ole enää löydettävää, eikä kiihdyttimissä ole nähty mitään sen tuolta puolen. Vuoden 2017 palkinto gravitaatioaalloista, viime vuoden palkinnon Jim Peeblesille kosmologiasta mennyt puolikas ja tämän vuoden palkinto muistuttavat löytöjen tulevan nyt ennemmin taivaalta. Monet pohtivat, koska on kosmisen inflaation vuoro – ja mikä osa siitä palkitaan, kenet kutsutaan Tukholmaan ja ketkä jäävät ilman matkalippua.
18 kommenttia “Luotettava ennustus ja tiheä kappale”
-
Maallikko sanoo:
Jos mustan aukon keskustassa on piste, jossa aika-avaruuden kaarevuus on ääretön niin onko mainittu piste äärettömän pieni vai läpimitaltaan vähintään planckin pituuden kokoinen?
-
Ennustus mustan aukon keskustassa olevasta singulariteetista on yleisen suhteellisuusteorian piirissä. Yleisessä suhteellisuusteoriassa ei ole kvanttifysiikkaa eikä siten myöskään Planckin pituutta.
Schwarzschildin mustan auton singulariteetti on pistemäinen, pyörivän mustan aukon singulariteetti on renkaan muotoinen.
-
Tuli mieleen, että olisiko mitenkään mahdollista, että mustan aukon keskustan kaarevuutta rajoittaa sama voima, joka on avaruuden laajenemisen taustalla? Eli kun avaruus puristuu kasaan, niin negatiivinen paine kumuloituu ja estää singulariteetin muodostumisen?
-
Avaruuden laajenemisen taustalla ei ole voimaa. Avaruuden laajeneminen on aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä, kuten myös mustan aukon singulariteetti.
Maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen mahdollisesti aiheuttava pimeä energia ei estä singulariteetin muodostumista.
On useita erilaisia ideoita siitä, mitä singulariteetille tapahtuu -ja yleisemmin, mikä on mustien aukkojen sisärakenne- yleisen suhteellisuusteorian tuolla puolen.
-
Martti V sanoo:
Kiihtyvä laajeneminen big rip skenaariossa repii kaiken jopa mustat aukot rikki mutta tällä hetkellä gravitaatio voittaa ylivoimaiseti. Ääretön kaatevuus ei välttämättä ole totuus vaikka suhteellisuusteoria niin ennustaa. Einstein piti jo aikoinaan singulariteettia vastenmielisenä.
-
Avaruuden laajenemisessa on siinäkin kyse gravitaatiosta.
-
Onko pimeä energia avaruuden kaarevuudesta johtuvaa potentiaalienergiaa ? Avaruus siis laajenee koska massa menee kohti alimpaa potentiaalia.
-
Ei. Tarkemmin pimeästä energiasta, ks.
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kirkkaudesta_pimeyteen
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kolmen_vaihtoehdon_mysteeri
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/valoa_kaukaa
-
Martti V sanoo:
Kommenttisi siitä, että gravitaatio aiheuttaa laajenemisen on mielenkiinoinen. Tästä on kaiketi eriäviä mielipiteitä, mutta uskon siihen siihen että avaruuden kaarevuus on taustalla.
-
Ei, gravitaatio ei aiheuta avaruuden laajenemista, vaan avaruuden laajeneminen on osa gravitaatiota.
Sen taustalla ei ole avaruuden kaarevuus, vaan laajeneminen on aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä. Asia on järkevän epäilyn ulkopuolella.
Laajenemisesta, aika-avaruuden kaarevuudesta ja avaruuden kaarevuudesta, ks.
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajaton_kasvu
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kaareuden_kietoutumista
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/suoraviivaista/
-
-
-
-
-
In simple terms,he [Penrose] believes that the singularity in Einstein’s field equation at the Big Bang is only an apparent singularity, similar to the well-known apparent singularity at the event horizon of a black hole. The latter singularity can be removed by a change of coordinate system, and Penrose proposes a different change of coordinate system that will remove the singularity at the big bang.”
Yo. lainaus wikipediasta ei sovi siihen väittämään, mitä Syksy kirjoitti Hawkingin kuoleman jölkeen.
”Yhdessä Penrose ja Hawking osoittivat, että singulariteetit ovat yleinen ja oleellinen osa yleistä suhteellisuusteoria: voi sanoa, että yleinen suhteellisuusteoria ennustaa oman loppunsa (eli pätevyysalueensa rajallisuuden).”
-
En kommentoi Wikipedia-artikkeleita, koska ne ovat fysiikan kohdalla niin usein epäluotettavia.
-
Jos ottamassani wikipedian sitaatissa on väärää tietoa, niin korjaa ihmeessä se sinne. Minusta qikipedia on erittäin arvokas tietolähde ja minä arvostan sitä, koska se on ilmainen, kaikkien saatavilla ja kaikkien korjattavaissa toisin kuin monet tieteellisten lehtien artikkelit.
-
En käytä aikaani sen enempää Wikipedian fysiikka-artikkelien kommentoimiseen kuin editoimiseen.
-
Sinikka sanoo:
Eikö tämä ole hieman arrogantti asenne? Olisi hyvinkin mielenkiintoista, jos me tavalliset pulliaisetkin saisimme lukea valaistuneemman joukon faktatietoa. Vai onko se ajanhukkaa? Että asiat opitaan oikein nuoresta lähtien. Moniko lapsi, nuori, opiskelija jne. lukee Wikipediaa? Ja opimme vääriä asioita. Koska tieto ei ole kaikkien saatavilla. Palvelet yhteistä hyvää, jos jaksat vähän nähdä vaivaa!
-
”
Meidän täytyy pohtia, mikä on oikein ja välttää tekemästä sitä, minkä tiedämme vääräksi.
” -
Yllä oleva sitaatti viittaa siihen, että pitää välttää tekemästä sitä, mikä on moraalisesti väärin.
Tässä ei ole kyse moraalista, vaan asioiden laittamisesta tärkeysjärjestykseen.
Wikipedian fysiikka-artikkelien editoimiseen menevä vaiva ei olisi aivan vähäinen.
Wikipediaan luottaminen on toki iso ongelma (joka ei fysiikan osalta suinkaan ole pahimmillaan).
-
-
-
-
-
Jernau Gurgeh sanoo:
Veritasiumin Derek sattumoisin julkaisi viikko sitten videon Penrosen laatoista. Kesto 20 minuuttia. Suosittelen vahvasti kaikille. Paljon mielenkiintoista asiaa.
https://www.youtube.com/watch?v=48sCx-wBs34
Räsänen: Todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma, on noin 1:30 000. Hiukkasfysiikassa tämä ei riitä löytöön, vahvaan kiinnostukseen kylläkin. Mutta vaikka sattuman todennäköisyys olisi kuinka pieni, löytöä ei sovi julistaa ennen kuin kaksi ehtoa täyttyvät: systemaattiset virheet ymmärretään ja signaalilla on teoreettinen selitys.
Niin tosiaan ”löytöön” eli 5 sigmaan tarvitaan noin 1/3,5 miljoonan todennäköisyys olla vain kvanttikohinaa. Nyt ollaan tietysti kaukana siitä. Vallankaan kun ottaa huomioon nuo Räsäsen muut ehdot. Aika (eli lisädata) näyttää.
Higgshän löydettiin 2012 5 sigmassa ja myöhemmin muistelen sigman nousseen jo 7:ään.
Yleensä kyse ei ole kvanttikohinasta, vaan yleisesti tilastollisesta virheestä.
Tuon hiukkasfysiikassa vuosikymmeniä sitten käyttöön otetun 5 sigman kriteerin soveltaminen nykyisiin kokeisiin on tosin jokseenkin mielivaltaista. Se on alun perin laskettu erilaisessa tilanteessa.
Räsänen: Se on alun perin laskettu erilaisessa tilanteessa.
Juu tietysti, mutta näyttipä olleen hyvinkin tärkeässä roolissa ainakin Higgsin tapauksessa (niinkin myöhään kuin 2012). Pidettiin tiukasti vaarin, että tuo saavutettiin – sekä CMS että ATLAS kumpikin pääsivät 5 sigmaan, mutta lisäkanava (tau) pudotti CMS:n 4,9:ään.
No historiallisesti tuo oli ymmärrettävää, olihan kyseessä Standarditeorian viimeinen löytymätön ja erittäin tärkeä hiukkanen (ja oltiin varovaisia, muistissa oli OPERA-kokeen nolo moka). Ensi alkuunhan puhuttiin vain Higgsin kaltaisesta hiukkasesta, mutta sitten ajan kanssa alettiin puhua varmasta hiukkasesta (kun parillinen pariteetti ja 0-spin saatiin varmistettua).
Joo, tuo Higgsinkaltainen hiukkanen oli ehkä jopa turhan varovainen muotoilu.
Hienoa, että on uusia menetelmiä gravitaatioaaltojen mittaamiseen. Toivottavasti systemaattiset virheet saadaan suljettua pois. Mielenkiintoisinta olisi, jos aallot paljastavat inflaatiosta uutta dataa.
Vaikka onkin kvadrupolista, eikö gravitaatioaallot taivu gravitaatiolinsseissä kuten valokin?
Tuntuisi, että gravitaatioaalloilla on vähäisemmät vaatimukset linssin muodostaman reitin sileän loivasta lineaarisuhteiden säilyttämisestä eikä muutenkaan pölysumut häiritse.
Voisiko jo todennettujen tapausten toistoja olla odotettavissa kuten supernovilla?
Gravitaatiolinssit vaikuttavat gravitaatioaaltojen kulkuun samalla tavalla kuten valon.
En ole varma ymmärränkö kysymystä. Tarkoitat ilmeisesti vahvan gravitaatiolinssi-ilmiön aiheuttamaa aikaviivettä? Se on harvinainen ilmiö, eikä ole luultavaa, että tarpeeksi vahva linssi olisi sattunut meidän ja gravitaatioaaltojen lähteen väliin. Mahdollisuutta on kyllä tarkasteltu. (NANOGravin havaintoihinhan tämä ei liity, niissähän havaitaan radioaaltoja, ei suoraan gravitaatioaaltoja.)
Räsänen: NANOGrav sen sijaan perustuu siihen, että meidän ja pulsarin välissä kulkevat gravitaatioaallot muuttavat pulsarin etäisyyttä meistä ja siksi sen radiosignaalien saapumisaikaa.
Meinasi itsellä mennä jossain lukuvaiheessa aina sekaisin gravitaatioaallot ja radiosignaalit. Mutta jos olen mieltänyt oikein niin meidän ja pulsarin välimatka olisi/vastaisi ikäänkuin h***vetin pitkää tyhjiöputkea LIGOssa, jossa laser interferenssiä mitataan; kun taas NANOGravissa mitataan gravitaatioaaltojen muuttamaa etäisyyttä (radiosignaalien saapumisaikaa) meidän ja pulsarin välillä (ja näistä saapumisajoista vedetään johtopäätöksiä). Osuiko sinne päinkään?
Juurikin. Tämän olisin voinut kyllä selittää selvemminkin.
LIGO mittaa valon kulkua tunnelissa. Läpi menevä gravitaatioaalto muuttaa valosignaalien saapumisaikaa, koska se muuttaa putken pituutta.
NANOGrav mittaa radioaaltojen kulkua avaruudessa. Läpi menevä gravitaatioaalto muuttaa radioaaltojen saapumisaikaa, koska se muuttaa välissä olevan avaruuden osuuden pituutta.
Kirjoitat, että ”Todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma, on noin 1:30 000”.
Miten sattuman todennäköisyys on tässä laskettu?
Yleensä pystytään laskemaan vain todennäköisyys saada vähintään havaitun vahvuinen signaali *olettaen*, että se on sattumaa (eli kohinaa), eli ehdollinen todennäköisyys P(signaali | sattuma), joka ei ole ”todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma” eli P(sattuma | signaali), koska ehdollinen todennäköisyys ei ole vaihdannainen: P(signaali | sattuma) ≠ P(sattuma | signaali).
Jos oletetaan, että signaalia ei ole, voi laskea kuinka usein sattumalta tulee samanlainen signaali.
En ole varma, mikä menettely on tuon luvun 1:30 000 taustalla (Neil Cornish mainitse sen puheessaan), julkaisussa on luku 1:65 000 menettelylle, missä verrataan bayesiläistä ehdollista todennäköisyyttä tapauksessa A, missä on signaali ja tapauksessa B, missä on vain kohinaa. Signaalin todennäköisyys on 65 000 kertaa isompi.
Tarkemmin artikkelissa: https://arxiv.org/abs/2009.04496