Arkisto


Rehellinen elämä/An honest life

23.12.2020 klo 00.38, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

(This entry is in both Finnish and English. The English text is below the Finnish text.)

Huomasin juuri, että Jack Steinberger kuoli 12. päivä joulukuuta. Hän oli 99-vuotias. Tuntuu väärältä, että hänen kuolemansa oli jäänyt minulta huomaamatta.

Jack tiedetään parhaiten myonin neutriinon löytämisestä vuonna 1962 yhdessä Leon M. Ledermanin ja Melvin Schwartzin kanssa, mistä heille myönnettiin vuoden 1988 fysiikan Nobelin palkinto. Minulla oli ilo tuntea häntä hieman.

Jack syntyi Saksassa vuonna 1921. Jackin isä piti itseään uskollisena saksalaisena, joka oli ylpeä asepalveluksestaan ensimmäisessä maailmansodassa. Jack on kirjoittanut, että hänet kasvatettiin uskomaan, että saksalaisena hän on muita parempi, ahkerampi, rehellisempi ja rohkeampi. Hänen mukaansa juuri tämä ajattelu oli tausta sille, että saksalaiset seurasivat Hitleriä antisemitismiin ja kuolemaan.

Jackin perhe oli juutalainen, ja natsien noustessa valtaan vuonna 1933 hänen vanhempansa ymmärsivät ensimmäisten joukossa tilanteen vakavuuden. Vuonna 1934 he lähettivät Jackin isoveljensä kanssa Yhdysvaltoihin pakolaisina. Jackin ottoisä Yhdysvalloissa takasi vuonna 1938 sen, että Jackin vanhemmat ja nuorempi veli saattoivat tulla hänen perässään turvaan, sodan kynnyksellä.

Jackilla oli jo 14-vuotiaana vahvoja näkemyksiä, ja hän oli sitä mieltä, että rehellisen ihmisen pitää tehdä rehellistä työtä, eikä ottoisän toimintaa pörssimeklarina voinut sellaiseksi kutsua. Hän kirjoitti myöhemmin, että pysyi sosialistina koko ikänsä, mutta ei näe asioita niin mustavalkoisina. Hän totesi, että ei ole varma voiko sanoa, että hänen oma elämäntyönsä, missä hän seurasi nautintoaan oppimalla fysiikan laeista, oli mitenkään meklarointia ”rehellisempää”.

Jack kuului toisen maailmansodan aikana aloittaneeseen fyysikoiden sukupolveen. Hän osallistui Saksan kaupunkien pommituksessa käytettyjen pommitähtäinten kehittämiseen. Sodan jälkeen Jack oli Chicagon yliopistossa muun muassa Enrico Fermin oppilaana. Fermillä oli ollut keskeinen rooli Yhdysvaltojen ydinaseohjelmassa.

Jack halusi tutkia teoreettista fysiikkaa, mutta Fermi kehotti häntä tekemään mittauksia kosmisista säteistä. Tämä johtikin siihen, että Jack osoitti vuonna 1948, että hiukkanen nimeltä myoni ei hajoa kahdeksi hiukkaseksi, kuten oli ajateltu, vaan luultavasti kolmeksi, joista kaksi on neutriinoja. Tämä viitoitti tietä myöhempään myonin neutriinon löytämiseen.

Jack päätyi teoriapuolelle J. Robert Oppenheimerin johtamaan Princetonin yliopiston Institute for Advanced Studyyn. Hän koki olevansa muita huonompi, ja oli iloinen päästessään takaisin kokeellisen fysiikan pariin Berkeleyn Kalifornian yliopistossa. Siellä hän muun muassa löysi neutraalin pionin, joka on kvarkista ja antikvarkista koostuva hiukkanen, joka on tärkeä vahvassa vuorovaikutuksessa ja ydinfysiikassa.

Vuonna 1950 Jack joutui lähtemään Kalifornian yliopistosta, koska kieltäytyi allekirjoittamasta vasemmistolaisten poliittiseen vainoon liittyvää uskollisuudenvalaa. Omaelämänkerrassaan Learning About Particles: 50 Privileged Years Jack sanoo vähätellen päätöksensä olleen helppo, koska hänellä ei ollut Berkeleyssä pysyvää työpaikkaa.

Jack oli hiukkasfysiikan uusien kokeellisten menetelmien kehittämisen ja soveltamisen kärjessä, ja osallistui useisiin merkittäviin kokeisiin, joista Nobelilla tunnustettu vuoden 1962 myonin neutriinon löytäminen oli vain yksi.

Hiukkasfysiikka oli silloin erilaista. Erikoistuminen ei ollut edennyt yhtä pitkälle, ja kaikki saattoivat tehdä vähän kaikkea. Jackin mukaan 50-luvulla pystyi saamaan kahden kollegan kanssa kolme kiinnostavaa (ja, vaikka hän ei niin sanonut, historiallista) tulosta vuodessa, vaikka yksi idea menisikin pieleen. Nykyään kokeet kestävät vuosia: jos koe maksaa alle 100 miljoonaa euroa niin se on halpa, ja jos siinä on mukana alle 100 ihmistä niin se on pieni.

Myös suhde työturvallisuuteen oli erilainen. Jackin mukaan kukaan ei ollut vastuullinen, pätevä tai edes juuri ajatellut asiaa. Esimerkiksi nestemäistä happea saatettiin vain lastata takakonttiin ja lähteä ajamaan, ja hänellä itsellään oli ainakin neljä onnettomuutta palavien kaasujen kanssa. Asia otettiin vakavammin sen jälkeen, kun Massachusetts Institute of Technologyssä kuoli yksi ihminen nestemäiseen happeen liittyvässä onnettomuudessa.

Jack siirtyi CERNiin vuonna 1968 uuden detektoriteknologian perässä, ja osallistui siellä useiden kokeiden suunnitteluun ja toteuttamisen. Hiukkasfysiikan Standardimallin aikakausi oli alkamassa, ja muutaman vuoden kuluessa oli kasassa kaikki teoreettiset palaset, joita sitten yksi toisensa jälkeen CERNissä ja Fermilabissa löydettiin ja nobeleilla palkittiin. Viimeinen pala oli Higgsin hiukkanen, jonka havaitseminen vuonna 2012 päätti tämän kauden, jona ei vain varmistettu Standardimallin ennusteita vaan yritettiin nähdä sen tuolle puolen. Edellisessä onnistuttiin turhankin hyvin, toisessa koettiin pettymys.

Jack oli 70-vuotiaaksi asti ALEPH-koeryhmän puhemies ja osallistui detektorin suunnitteluun ja tulosten analysoimiseen. ALEPH oli yksi detektori vuonna 1989 käynnistyneessä LEP-kiihdyttimessä. LEPpiä varten sata metriä maan alle kaivetussa tunnelissa on nykyään LHC-kiihdytin.

Vuonna 1995 Jack jätti aktiivisen tutkimuksen, koska koki että hänellä ei ollut enää uusia ideoita annettavana. Hän kuitenkin jatkoi koeryhmien neuvonantajana yli 90-vuotiaaksi. Lopetettuaan hiukkasfysiikan tutkimuksen Jack rupesi opiskelemaan ja seuraamaan kosmologiaa ja astrofysiikkaa. Kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet oli mitattu vain kolmea vuotta aiemmin.

Tapasin Jackin vuonna 2004. Olin tutkijana Oxfordissa, ja juuri julkaissut ensimmäisen väittelyn jälkeisen tieteellisen artikkelini. Esitin siinä (en ensimmäisenä), että maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen voisi johtua rakenteiden muodostumisesta maailmankaikkeudessa. Kosmologi Dominik Schwarz kutsui minut CERNiin puhumaan aiheesta.

Jack, tuolloin 82-vuotias, osallistui tapansa mukaan seminaariin. Jack osasi esittää yksinkertaisia ja samalla asian ytimeen meneviä kysymyksiä aiheesta kuin aiheesta.

Jatkoimme puheeni jälkeen juttelua käytävällä, ja Jack ehdotti yksinkertaista lähestymistapaa sen hahmottamiseksi, miten rakenteet vaikuttavat keskimääräiseen laajenemiseen. Minulla oli joitakin ajan käsittelyyn yleisessä suhteellisuusteoriassa liittyviä vastalauseita, joihin Jack totesi vain, että ”minähän en tiedä mitä aika on, sinä tiedät”. Hän osasi olla sekä pistävän kriittinen että vilpittömän vaatimaton.

Kaksi vuotta myöhemmin päädyin omaa reittiäni kirjoittamaan artikkelin Jackin ehdottamasta ideasta. Se oli toinen läpimurtoni aiheen parissa, ja siinä asian fysikaalinen merkitys ja yhtälöiden sisältö matematiikan tuolta puolen selvisi minulle. Jos olisin heti seurannut Jackin ideaa, jonka hän lyhyessä keskustelussa yhden puheen jälkeen keksi, olisin voinut säästää vuoden.

Noihin aikoihin CERNin teoriayksikköön palkattiin yksi kosmologi vuodessa. Vuonna 2007 se olin minä, ja aloitin kaksivuotisen pestin. Jack piti minua kosmologian tietolähteenään, ja tuli ovelleni kysymysten kanssa.

Muistojeni mukaan Jack tuli kerran työhuoneelleni ja sanoi jotain sellaista kuin ”tässä on tutkijoiden ydinaseiden vastainen vetoomus, ja toivon että allekirjoitat sen”. Tällaisella esikuvalla on vaikutusta siihen, minkä näkee sopivana fyysikolle.

Jack oli yhä mukana seminaareissa, mutta nyt hänen kysymyksensä joskus osoittivat, että häneltä oli mennyt joku ilmeinen seikka ohi, eikä hän saanut siitä enää kiinni. Tämä ei ole nuorillekaan tavatonta, mutta Jack tunsi ajattelunsa tylsymisen, ja se turhautti häntä.

Tapasin Jackin viimeksi tammikuussa 2010, kun olin pari kuukautta CERNissä. Halusin ottaa hänestä kuvan hänen työhuoneellaan, ja Jack vaati, että olemme siinä yhdessä. Puhuimme rakenteiden vaikutuksesta maailmankaikkeuden laajenemiseen. Hän sanoi, että ongelma ei varmaankaan ratkea ennen hänen kuolemaansa. Olin yllättynyt enkä tiennyt mitä sanoa, joten kysähdin jotain sellaista kuin että eikö tuo ole aika surullinen ajattelutapa. Jack vastasi: ”Niin. On surullista vanheta ja on surullista kuolla.”

* * *

An honest life

I just noticed that Jack Steinberger died on December 12. He was 99 years old. It feels irrationally wrong that his death had passed me by.

Jack is most well known for the discovery of the muon neutrino in 1962 together with Leon M. Lederman and Melvin Schwartz, for which they received the physics Nobel prize in 1988. I had the pleasure of knowing him a little.

Jack was born in Germany in 1921. His father considered himself a loyal German, who was proud to have served in the First World War. Jack later wrote that he was brought up to believe that as a German he is better, more hardworking, more honest and more courageous than others. According to him, this thinking formed the background for why the Germans followed Hitler into antisemitism and death.

Jack’s family was Jewish, and after the Nazis rose to power in 1933 his parents were among the first to realise how grave the situation was. In 1934 they sent sent Jack and his older brother as refugees to the United States. Jack’s foster father in the US also gave a guarantee about Jack’s parents and younger brother, so that they were able to follow him there in 1938, on the eve of war.

Already at the age of 14 Jack had strong opinions, and he thought that an honest human should do honest work, and his foster father’s stock brokering did not qualify. He later wrote that he remained a socialist all his life, but doesn’t see things so black and white anymore. He said that he’s not sure whether he can say that his life’s work following the pleasure of learning laws of physics was in any way more “honest” than brokering stocks.

Jack was part of the generation who started physics during the Second World War. He took part in the development of bomb sights used in the bombing of German cities. After the war Jack studied at University of Chicago with Enrico Fermi among others. Fermi had had a central role in the US nuclear weapons program.

Jack wanted to do theoretical physics, but Fermi encouraged him to measure cosmic rays. This led to 1948 Jack showing experimentally that a particle called the myon doesn’t decay into two particles as thought, but probably into three, two of which are neutrinos. This paved the way to the later discovery of the muon neutrino.

Jack ended up working on theory at the Princeton Institute for Advanced Study led by J. Robert Oppenheimer. He felt that he did not measure up to the others, and was happy to get back to experimental physics at University of California Berkeley. There he, among other things, discovered the neutral pion, a particle composed of a quark and antiquark, which is important in the strong interaction and nuclear physics.

In 1950 Jack had to leave Berkeley, because he refused to sign a loyalty oath that was part of the political persecution of leftists. In his autobiography Learning About Particles: 50 Privileged Years Jack makes light of this, saying it was an easy decision because he didn’t have a permanent position at Berkeley.

Jack was at the forefront of developing and applying new experimental methods in particle physics. He took part in many important experiments, of which the 1962 discovery of the muon neutrino, for which the Nobel prize was awarded, was only one.

Particle physics was different back then. Specialisation had not advanced so far as today, and everyone could do a bit of everything. According to Jack, in the 1950s you could with two colleagues get three interesting (and although he did not say so, historical) results a year, even if one idea failed. Nowadays experiments take years: if they cost less than 100 million euros they are cheap, and if they involve less than 100 people they are small.

Approach to work safety was also different. Jack wrote that nobody was responsible, competent or even thought about the matter much. You could just put liquid hydrogen in the trunk of your car and start driving without further concern. Jack himself had at least four accidents with flammable gases. Things were taken more seriously after one person died of accident involving liquid hydrogen at MIT.

Jack moved to CERN in 1968 after new detector technology, and took part in the planning and execution of several experiments. The era of the Standard Model of particle physics was beginning, and in a few years all theoretical pieces had been put together, and were then discovered at CERN and Fermilad one by one, awarded with Nobels. The last piece was the Higgs particle, whose detection in 2012 capped this era. It involved not only verification of the predictions of the Standard Model, but the attempt to see beyond it. The former was an unqualified success, perhaps too much so, as the latter has been disappointment.

Until the age of 70 Jack was the spokesperson of the ALEPH experiment, and took part in the design of the detector and analysis of the results. ALEPH was a detector in the LEP collider, which started operation in 1989. The tunnel dug a hundred meters underground for LEP today houses the Large Hadron Collider.

In 1995 Jack left active research, because he felt he had no more ideas to give. He continued as an advisor to experimental groups into his nineties. After quitting particle physics research, Jack started studying and following cosmology and astrophysics. The anisotropies of the cosmic microwave background had been measured only three years earlier.

I met Jack in 2004. I was a postdoc at Oxford and had just published my first paper after my PhD. There I proposed (not as the first) that the accelerating expansion of the of the universe could be due to cosmological structure formation. The cosmologist Dominik Schwarz, then at CERN, invited me to come over and give a talk about it.

Jack, then 82, took part in the seminar, as usual. Jack knew how to make simple but penetrating questions on any topic.

After the talk we continued discussing in the corridor, and Jack proposed a simple approach to better figure out the effect of structures on the average expansion rate. I had some objections related to the treatment of time in general relativity, to which Jack simply replied “I don’t know what time is, you do”. He could be both stingingly critical and sincerely humble.

Two years later I ended up via my own route to write an article about the idea Jack had proposed. It was my second breakthrough in the topic, and there I realised the physical content the meaning of the equations beyond mathematics. If I had followed the idea Jack threw out in a short conversation after hearing one talk, it could have saved me a year.

In those days the CERN theory unit hired one cosmologist a year. In 2007 that was me, and I started a two-year postdoc there. Jack considered me his information source on cosmology, and came to my door with questions.

I recall that one day he came to my office and said something along the lines of “this is a scientists’ petition against nuclear weapons, and I hope you’ll sign it”. This sort of an example has an effect on what one sees as proper for physicists.

Jack continued to attend seminars, but now his questions sometimes showed that he had missed something obvious, and couldn’t catch it. This is not unknown to younger folk, but Jack felt the dulling of his thinking, and it frustrated him.

I met Jack the last time in January 2010, when I was spending two months at CERN. I wanted to take a photo of him at his office, and he insisted us being together in the photo. We talked about the effect of structures on the average expansion rate of the universe. He said that the problem probably won’t be solved before he is dead. I was struck by this, and mumbled something along the lines of that isn’t that a sad way to think. Jack answered: “Yes. It is sad to grow old and it is sad to die.”

6 kommenttia “Rehellinen elämä/An honest life”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Tästä tulee mieleen David Bohm, jolle Princeton tarjosi nokialaista (ei kännykkää vaan kenkää) kuten Berkeley Jack Steinbergerille. Ja molemmat olivat sukujuuriltaan juutalaisia, Molemmilla oli myös yhteys J. Robert Oppenheimeriin ja Enrico Fermiin. Toinen Fermin oppilas Bruno Pontecorvo, joka myös oli kiinnostunut neutriinoista, teki radikaalin ratkaisun ja loikkasi Helsingin kautta Neuvostoliittoon 2. syyskuuta1950.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Steinbergerin mukaan syy siihen, että hänelle ei tarjottu pysyvää työpaikkaa Berkeleystä oli se, että hän oli vasemmistolainen. Se, että hän oli juutalainen on sekin saattanut vaikuttaa asiaan. Steinberger kirjoittaa omaelämänkerrassaan siitä, että tuolloin Yhdysvalloissa juutalaisuus ei estänyt professoriksi etenemistä, mutta se oli haittatekijä.

      Steinbergeriä seitsemän vuotta nuorempi Noam Chomsky on todennut, että yksi syy MIT:n nousuun oli se, että siellä ei vältetty juutalaisten palkkaamista.

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Neutriinot ovat kiinnostavia, koska niitä muodostuu paljon, ne oskilloivat ja niitä on vaikea havaita. Iltalehdessä oli artikkeli, paljonko neutriinoja vapautuu, jos Betelgeuse räjähtäisi supernovana ja kuinka suuri määrä niistä päätyisi maapallolle ja ihmisiin.
    https://www.iltalehti.fi/ulkomaat/a/45c2824c-1cbf-41a5-8c59-987b73a691b9
    Neutriino on fermioni, jonka spin on ½ ja fotoni on bosoni, jonka spin on 1. Fermioni ja antifermioni voivat muodostaa bosonin, joten kaksi neutriinoa voisivat muuttua fotoniksi, koska neutriino ja antineutriino ovat sama hiukkanen.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hiukkasten muodostaminen siten, että hiukkaset sitoutuvat yhteen (kuten elektroni ja protoni muodostavat atomin) on eri asia kuin annihiloituminen, missä kaksi hiukkasta muuttuu toisiksi hiukkasiksi (kuten elektroni ja positroni kahdeksi fotoniksi).

      Kaksi neutriinoa ei voi annihiloitua yhdeksi fotoniksi, koska se rikkoisi energian säilymistä. Ei tästä sen enempää.

  3. Miguel sanoo:

    Kiitos hyvästä tarinasta itselle täysin tuntemattomasta Ihmisestä. Huomio kiinnittyi tuohon neutraalin pioniin, joka koostuu kvarkista ja antikvarkista. Eivätkö ne siis annihiloidu kuten elektroni ja positroni, vai syntyykö tää pioni annihilaation seurauksena?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Annihiloituvat toki, siksi neutraali pioni elää vain 10^(-16) sekuntia.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Potkut ylöspäin

20.12.2020 klo 20.51, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minä ja yhteistyökumppanini Dani Figueroa, Sami Raatikainen ja Eemeli Tomberg julkistimme viikon alussa artikkelin siitä, miten mustia aukkoja tehdään.

Pari vuotta sitten minä ja Eemeli Tomberg tutkimme sitä mahdollisuutta, että pimeä aine koostuu höyrystyneiden mustien aukkojen jäänteistä, joiden massa on mikrogramman luokkaa. Nyt katselimme tavanomaisempia mustia aukkoja, joilla on massaa noin 10^(16) eli kymmenen miljoonaa miljardia kiloa, saman verran kuin kohtuullisella asteroidilla. Tällaiset mustat aukot olisivat atomin kokoisia.

Mustia aukkoja ehdotettiin pimeäksi aineeksi jo vuonna 1975. Sittemmin on esitetty monia ideoita siitä, miten niitä tuotettaisiin tarpeeksi. Tavallinen reitti tähdistä romahduksen kautta mustiksi aukoiksi ei käy, koska pimeää ainetta on olemassa ennen tähtien syttymistä ja sitä on paljon enemmän kuin tähtiä.

Mustaan aukkoon ei tarvita muuta kuin se, että pakataan massaa tarpeeksi tietyn säteen sisälle. Yksi lupaava mahdollisuus on se, että mustiksi aukoiksi romahtavat klimpit syntyvät samalla tavalla kuin maailmankaikkeuden kaikkien muidenkin rakenteiden–oikeiden asteroidien, planeettojen, tähtien, galaksien, galaksiryppäiden, ja niin edelleen– siemenet.

Kosminen inflaatio on paras selitys sille, miksi maailmankaikkeudessa on rakenteita, sen sijaan että kaikki olisi tasaista puuroa. Inflaation aikana jokin avaruuden täyttävä kenttä ajaa maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista. Inflaation edetessä kentän voimakkuus laskee, kunnes se ei enää lopulta pysty ylläpitämään inflaatiota.

Inflaation aikana kentän kvanttivärähtelyt –sattumanvaraiset kentän arvon muutokset– venyvät hiukkasfysiikan pituuksista kosmisiin mittoihin. Inflaation loppuessa ja laajenemisen hidastuessa kenttä hajoaa, ja kvanttivärähtelyistä tulee epätasaisuuksia tavallisessa aineessa. Kvanttivärähtelyt ovat sitä isompia, mitä hitaammin kentän arvo muuttuu.

Kenttä käyttäytyy kuin pallo, joka vierii mäkeä veden alla. Tässä vertauksessa mäen jyrkkyys vastaa kentän vuorovaikutusta: mitä vahvemmin kenttä vuorovaikuttaa, sitä nopeammin sen arvo laskee. Maailmankaikkeuden laajeneminen hidastaa kentän muutosta, kuten vesi pallon vierimistä. Isompi laajenemisnopeus vastaa tiheämpää nestettä. Kosmologit havainnollistavatkin kentän kehitystä liikkeeseen liittyvien mielikuvien avulla.

Mustien aukkojen aikaansaaminen vaatii isoja epätasaisuuksia, joten kentän pitää liikkua hyvin hitaasti. Erilaisia inflaatiomalleja, joissa on sopivan heikkoja vuorovaikutuksia, onkin ehdoteltu jo joitakin vuosia. Eemeli Tombergin kanssa esitimme syylliseksi Higgsin kenttää.

Nyt kiinnitimme huomiomme siihen, miten kvanttivärähtelyt vaikuttavat kentän vierimiseen mäkeä alas. Yleensä inflaatiossa kvanttivärähtelyt ovat niin pieniä, että niillä ei ole merkitystä liikkeen kannalta. Mutta tapauksissa, missä voi syntyä mustia aukkoja, kvanttivärähtelyjen pitää olla tavallista isompia, ja lisäksi kenttä liikkuu hyvin hitaasti. Niinpä kvanttivärähtelyt saattavat potkia kenttää alas rinnettä, niin että inflaatio tapahtuu nopeammin, tai ylös rinnettä, jolloin inflaatio kestää kauemmin.

Kvanttipotkujen vaikutusta inflaatiokentän liikkeeseen on tutkittu vuodesta 1986 alkaen. Me olimme ensimmäisiä, jotka ottivat johdonmukaisesti huomioon sen, että kenttä vaikuttaa kvanttivärähtelyihin, jotka vaikuttavat kenttään, mikä muuttaa kvanttivärähtelyitä. Aiemmin viimeinen osa ketjua oli jätetty pois, tai sitä oli käsitelty puutteellisesti.

Näitä toisiinsa kytkeytyneitä asioita ei voi laskea kynällä ja paperilla. Niinpä simuloimme inflaatiota tietokoneella 256 miljoonaa kertaa. Seurasimme yksityiskohtaisesti mitä tapahtuu sellaiselle avaruuden alueelle, joka on noin atomin kokoinen vähän inflaation jälkeen. Inflaatiomallimme oli säädetty tuottamaan tuohon mittakaavaan isoja epätasaisuuksia, ja pidimme kirjaa, kuinka usein alueessa on tarpeeksi massaa, että se romahtaa mustaksi aukoksi.

Tuloksena oli, että potkujen kanssa mustia aukkoja syntyy satatuhatta kertaa enemmän kuin ilman niitä. Kvanttivärähtelyt hidastavat kentän kehitystä potkiessaan sitä taaksepäin, mikä puolestaan kasvattaa kvanttivärähtelyitä.

Kuten valtaosa tieteellisistä artikkeleista, työmme on vain pieni askel. Inflaatio ja pimeä aine ovat laajoja tutkimusaiheita. Mustia aukkoja tuottava inflaatio on yksi mahdollisuus monien joukossa, ja tuloksemme edistää sen ymmärrystä hieman.

Muutaman sivun artikkelimme on maistiainen laajemmasta kokonaisuudesta, missä käsittelemme eri massaisia mustia aukkoja, selitämme pulmia ja käymme tarkemmin läpi siitä, miten kvanttivärähtelyjen muutos klassisen fysiikan lakeja noudattaviksi epätasaisuuksiksi liittyy touhuun. Tämä onkin hauska aihe.

14 kommenttia “Potkut ylöspäin”

  1. Cargo sanoo:

    Mutta eikö tuollainen kentän epätasaisuus voisi prosessin aikana synnyttää koko joukon tavallisia hiukkasia ja lennättää ne ympäristöön, jolloin mitään mustaa aukkoa ei ehtisi muodostua? Lisäksi, jos kvanttivärähtelyt ovat luonteeltaan satunnaisia, niin onko riittävän suurten värähtelyiden muodostuminen hyvin perusteltua? Taas toisaalta, estääkö jokin suoraan olettamasta, että heti alkuräjähdyksen jälkeen syntyisi niin korkeaenergeettisiä fotoneita, että ne romahtivat mustiksi aukoiksi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kentän epätasaisuudet muodostuvat inflaation aikana. Inflaation loputtua kenttä hajoaa tavallisiksi hiukkasiksi, jotka perivät sen epätasaisuudet. Kun on kulunut tarpeeksi aikaa, että ylitiheän alueen eri osat ehtivät liikkua toisiaan kohti, se romahtaa. (Aikaraja tulee siitä, että mitään ei liiku valoa nopeammin, ja maailmankaikkeuden ikä on äärellinen.)

      Romahduksen yhteydessä kaikki aine ei välttämättä päädy mustaan aukkoon, eli osa voi tosiaan lennähtää pois. Tämä ei kuitenkaan tee mustan aukon muodostumisesta mahdotonta, nostaa vain sen kynnystä.

      Artikkelin pääasiallinen sisältö oli juuri tuon värähtelyjen todennäköisyysjakauman muodon selvittäminen.

      Jos ennen inflaatiota on ollut mustia aukkoja, niiden lukumäärätiheys putoaa erittäin pieneksi inflaation aikana (niin että nyt näkemäämme maailmankaikkeuden osaan ei mahdu yhtään), joska avaruus laajenee niin paljon.

  2. Matti sanoo:

    Millä nopeudella tai missä ajassa tällaiset pienet mustat aukot häviävät hawkingsin säteilyn vaikutuksesta.
    Muistaakseni on joskus mainittu että tämän vuoksi pieniä (mikro)mustia aukkoja ei ole havaittu.
    Toki kysymys on mikä on ”pieni” musta aukko hawkingsin säteilyn kannalta tai sitten kuvaamasi skenaarion kannalta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hawkingin säteilystä tuleva alaraja massalle on 10^(-16) Auringon massaa, eli noin sadasosa tutkimiemme mustien aukkojen massasta. Rajalla olevien massojen tapauksessa ongelma on, että Hawkingin säteilyä pitäisi näkyä mutta sitä ei ole havaittu, pienemmillä se, että mustia aukkoja ei enää olisi.

      Jos massa on alle tonnin ja mustista aukoista jää jäljelle pieni nokare (kuten tutkimme edellisessä artikkelissamme), niin ongelmaa ei ole, koska ne höyrystyvät niin varhain, että säteilystä ei jää havaittavia jälkiä.

  3. Mikähän on näin syntyvien aukkojen pyörimismäärä (suhteesa teoreettiseen maksimiin). Jos se on pieni, ehkä silloin niiden muodostuessa ei syntynyt kertymäkiekkojakaan, ja ainetta ei lentänyt pois paljoa. Pohdiskelen että voisiko kertymäkiekkojan säteily ja poislentävä aine näkyä jonain seurauksina, tai kääntäen jos seuraukset ovat ei-haluttuja, voisiko niitä sulkea pois impulssimomentin kautta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Nämä mustat aukot eivät syntyessään juuri pyöri. Kun tällainen musta aukko muodostuu, niin siihen romahtaa melkein kaikki aine, joka on yhden Hubblen säteen sisällä, ja tällaisessa mittakaavassa pyöriminen on vähäistä.

      Nämä mustat aukot syntyvät varhaisina aikoina, kun aine on tiheää plasmaa, eli ympäristö on erilainen kuin nykyään. On eri näkemyksiä siitä, mikä on oikea tapa mallintaa tällaista romahdusta, ja se vaikuttaa siihen, kuinka korkea kynnys mustien aukkojen muodostumiseen on.

  4. Lentotaidoton sanoo:

    ”Pari vuotta sitten minä ja Eemeli Tomberg tutkimme sitä mahdollisuutta, että pimeä aine koostuu höyrystyneiden mustien aukkojen jäänteistä, joiden massa on mikrogramman luokkaa. Nyt katselimme tavanomaisempia mustia aukkoja, joilla on massaa noin 10^(16) eli kymmenen miljoonaa miljardia kiloa, saman verran kuin kohtuullisella asteroidilla. Tällaiset mustat aukot olisivat atomin kokoisia.”

    Tutkitte toisaalta mahdollisuutta mikrogramman aukkojen höyrystymisjäänteiden ja toisaalta noin asteroidin painoisten mutta atomin kokoisten aukkojen jäänteiden mahdollisuutta pimeäksi aineeksi.

    Olisivatko näiden erilaisten prosessien tuloksena syntyneet pimeän aineen hiukkaset samoja? Ja kumpi linja olisi teidän mukaan todennäköisempi – painavat WIMPIT vai kevyet axionit? Vai jotain vallan muuta? Eli ei ollenkaan hiukkasia? Mutta ilmeisesti koska tutkitte Higgsin osuutta inflatoniksi, niin sitten näiden pitäisi olla hiukkasia?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yhdessä tapauksessa pimeä aine koostuu mustista aukoista, toisessa mustien aukkojen jäänteistä. Ajatuksena on se, että pimeä aine ei koostu hiukkasista.

      Kummassakin tapauksessa inflaatiota ajava kenttä hajoaa ensin hiukkasiksi (jotka voivat olla mitä vain, sillä ei ole väliä). Siellä, missä hiukkasia on paljon keskivertoa enemmän niiden kasa sitten romahtaa mustaksi aukoksi. Se ajaako inflaatioa Higgs vai jokin muu kenttä ei sekään ole oleellista, kunhan se vain saadaan vierimään tarpeeksi hitaasti.

  5. Lentotaidoton sanoo:

    OK, ei hiukkasia.

    ”Tuloksena oli, että potkujen kanssa mustia aukkoja syntyy satatuhatta kertaa enemmän kuin ilman niitä. Kvanttivärähtelyt hidastavat kentän kehitystä potkiessaan sitä taaksepäin, mikä puolestaan kasvattaa kvanttivärähtelyitä.”

    Toinen kysymys: Mikä nimenomaan Higgsin kentässä (jota ehdotatte) on sellaista, että että se potkii taaksepäin tehokkaammin (eli vieriminen tarpeeksi hidasta) kuin jokin muu ehdotettu kenttä. Onko se syy Higgsin (epätavallinen) VEV?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Nokareiden tapauksessa käytimme hyväksi kvanttikorjauksia Higgsin vuorovaikutukseen itsensä kanssa. Top-kvarkki heikentää Higgsin vuorovaikutusta itsensä kanssa (kyse on siis prosesseista, missä Higgs hajoaa virtuaalisiksi top-kvarkeiksi ja sitten palautuu itsekseen), ja jos tätä säätää herkästi, niin saa potentiaaliin paikallisen kuopan, jonka yli kenttä juuri ja juuri pääsee vierimään. Ylös rinnettä tullessa kentän nopeus voi mennä miten pieneksi tahansa, joten kvanttivärähtelyistä saa hyvin isoja.

      Periaatteessa Standardimallin kaikki vuorovaikutukset tunnetaan, mutta kentän käytös inflaation aikana on niin herkkä matalaan energian (eli LHC:ssä käytetyn energian) arvoilla mitatuille hiukkasten massoille ja kytkennöille, että mittausvirheiden rajoissa voi saada hyvin erilaista käytöstä, ja lisäksi matalan energian ja inflaation välistä yhteyttä ei täysin tunneta, mikä antaa säätämisvaraa.

      Tässä uudessa artikkelissa käytettyä kenttää ei oikein voi sanoa Higgsiksi. Ensimmäisessä artikkelissa nimittäin osoitimme, että Higgsin tapauksessa mustien aukkojen massa ja kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ovat tiukasti kytköksissä: kun säätää Higgsin potentiaalia pienten mustien aukkojen tuottamiseksi, ei voi välttää sen muuttamista myöskin isommilla mittakaavoilla. Niinpä tässä artikkelissa otimme Higgsin potentiaalin ja säädimme sitä käsin sopivaksi.

      Se on siis esimerkki siitä millaista käytös on jos malli tuottaa sekä mustien aukkojen että muiden rakenteiden siemenet, ei hiukkasfysiikasta johdettu malli sellaiselle.

  6. Lentotaidoton sanoo:

    ”Periaatteessa Standardimallin kaikki vuorovaikutukset tunnetaan, mutta kentän käytös inflaation aikana on niin herkkä matalaan energian (eli LHC:ssä käytetyn energian) arvoilla mitatuille hiukkasten massoille ja kytkennöille, että mittausvirheiden rajoissa voi saada hyvin erilaista käytöstä, ja lisäksi matalan energian ja inflaation välistä yhteyttä ei täysin tunneta, mikä antaa säätämisvaraa.”

    OK, kiitos selvennyksestä. Eli kun data sekä Higgsin että top-kvarkin massoista (ja kytkennöistä) tulevaisuudessa parantuu, niin pelivara käsintehdylle veivaamiselle pienenee. Kun joskus (2027) saamme HL-LHC:n niin tämä(kin) hienosäätö paranee. Kö? Vai onko uutta odotettavissa jo ensi keväänä remontin jälkeen alkavissa ajoissa (run 3). Riittäkö tämäkään vai onko odotettava luminositeetin radikaaliin parantumiseen 2027?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tilanne on sikäli hassu, että top-kvarkin virherajan isoin osa on tällä hetkellä teoreettinen (kokeellinen 0.4 GeV, teoreettinen noin 0.5 GeV). Laskut ovat niin monimutkaisia, että mitatun suureen ja teoreettisen suureen yhdistämisessä kunnolla menee varmaan vielä vuosia.

      En itse asiassa tiedä HL-LHC:ltä odotettavia virherajoja Higgsin massalle, top-kvarkin massalle ja QCD:n kytkentävakiolle (nämä ovat kolme Higgsin käyttäytymisen korkeilla energioilla määräävää numeroa). Mutta koska Higgsin käytös inflaatioskaalalla on eksponentiaalisen herkkä mitatuille arvoille, tilanne ei ehkä juuri muutu siitä, että LHC ja HL-LHC pienetävät virherajoja.

      Lisäksi tässä touhussa suurempi ongelma on LHC:n mittaaman sähköheikon skaalan yhdistäminen inflaation skaalaan, koska teorian kvanttikorjaukset ovat (tai sanotaan että voivat olla) välissä sellaisia, mitä ei osata käsitellä, koska teoria on ei-renormalisoituva sen takia, miten Higgs kytkeytyy gravitaatioon.

  7. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Pimeän aineen hiukkasia (WIMPejä, axioneja ja ties mitä) on etsitty vuosikymmeniä tonnilla tankissa ja muilla ilmaisimilla, mutta turhaan. Nyt yllättäen pälähti sitten ajatus päähän, että jospa pimeä aine ei olekaan hiukkasia? Nyt olen huuli pyöreänä, että mitä pimeä aine sitten on? Oma käsitykseni on, että kaikki aine koostuu fotoneista.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kuten merkinnässä mainitaan, ajatus mustista aukoista pimeänä aineena on 45 vuotta vanha. Siis vanhempi kuin idea WIMPeistä tai aksioneista.

      Kaikki aine ei koostu fotoneista. Ei siitä sen enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *