Arkisto
- tammikuu 2022
- joulukuu 2021
- marraskuu 2021
- lokakuu 2021
- syyskuu 2021
- elokuu 2021
- kesäkuu 2021
- toukokuu 2021
- huhtikuu 2021
- maaliskuu 2021
- helmikuu 2021
- tammikuu 2021
- joulukuu 2020
- marraskuu 2020
- lokakuu 2020
- syyskuu 2020
- elokuu 2020
- kesäkuu 2020
- toukokuu 2020
- huhtikuu 2020
- maaliskuu 2020
- helmikuu 2020
- tammikuu 2020
- joulukuu 2019
- marraskuu 2019
- lokakuu 2019
- syyskuu 2019
- elokuu 2019
- heinäkuu 2019
- kesäkuu 2019
- toukokuu 2019
- huhtikuu 2019
- maaliskuu 2019
- helmikuu 2019
- tammikuu 2019
- joulukuu 2018
- marraskuu 2018
- lokakuu 2018
- syyskuu 2018
- elokuu 2018
- kesäkuu 2018
- toukokuu 2018
- huhtikuu 2018
- maaliskuu 2018
- helmikuu 2018
- tammikuu 2018
- joulukuu 2017
- marraskuu 2017
- lokakuu 2017
- syyskuu 2017
- elokuu 2017
- kesäkuu 2017
- toukokuu 2017
- huhtikuu 2017
- maaliskuu 2017
- helmikuu 2017
- tammikuu 2017
- 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
Näkymä keski-ikään
Perjantaina koittaa pitkään odotettu päivä: jouluaattona 24.12. kello 14.20 Suomen aikaa James Webb Space Telescope (JWST) nousee avaruuteen. JWST:stä kiinnostuneille voi suositella Natalie Wolchoverin monipuolista artikkelia Quantassa.
Teleskooppia on suunniteltu yli 30 vuotta, se on 14 vuotta myöhässä, ja projekti on ylittänyt alkuperäisen budjettinsa 20-kertaisesti. JWST:n hinta on nyt noin kymmenen miljardia, samaa suuruusluokkaa kuin maailman suurimman tieteellisen koelaitteen, CERNin LHC-kiihdyttimen.
Viivytykset ja kustannusten paisuminen ei ole isojen kokeiden kohdalla poikkeuksellista, etenkin kun kyse on avaruuteen menevästä teknologiasta. Vuonna 1990 aloittanut JWST:n edeltäjä Hubble Space Telescope oli laukaistaessa ylittänyt budjettinsa kuusinkertaisesti, ja sen pääpeilissä oli iso hiomavirhe, jonka korjaaminen maksoi paljon lisää.
JWST on hienostuneempi ja vaikeampi laite, jonka hintaa kasvattaa sekin, että teleskooppi on liian iso mahtuakseen sellaisenaan rakettiin. Teleskooppi avautuu vasta avaruudessa kahden viikon aikana matkalla havaintoasemaansa, joka on puolentoista miljoonan kilometrin päässä Maasta suoraan poispäin Auringosta, tähtitieteen ja kosmologian satelliittien keitaassa.
Yksi syy JWST:n kokoon on se, että teleskooppi ei havainnoi näkyvää valoa, vaan havainnoi pääasiassa infrapunavaloa. Infrapunavalon aallonpituus on isompi kuin näkyvän valon (minkä takia silmämme eivät sitä havaitse). Koska kuvan tarkkuus riippuu valon aallonpituuden ja teleskoopin koon suhteesta, infrapunateleskoopin pitää olla isompi kuin näkyvän valon teleskoopin.
Infrapunavalo läpäisee osan tomusta, jonka taakse ei näkyvällä valolla pysty katsomaan. Lisäksi se auttaa JWST:n tärkeässä tutkimuskohteessa, eksoplaneettojen ilmakehän koostumuksen mittaamisessa ja elämän merkkien etsimisessä. Tämä tehdään katsomalla miltä planeettaa kierrättävän tähden valo näyttää silloin, kun se kulkee planeetan ilmakehän läpi ja silloin kun se menee planeetasta ohi. Ilmakehän molekyylit imevät tehokkaasti eripituisia infrapuna-aaltoja, eli poistavat ne havaitsemastamme tähden valosta, jättäen siihen sormenjälkensä. Samasta syystä infrapunahavaintoja on vaikea tehdä Maan pinnalta.
Kosmologian kannalta infrapuna-alue on tärkeä keski-ikäisen maailmankaikkeuden ymmärtämiselle. Maailmankaikkeus on noin 14 miljardia vuotta vanha. Valon äärellisen nopeuden takia mitä kauemmas katsoo paikassa, sitä varhaisempiin aikoihin näkee. Meillä on hyviä havaintoja muutamalta viime miljardilta vuodelta – niitä on helppo havaita, koska kohteet ovat lähellä ja niitä on paljon. Meillä on myös hyviä havaintoja varhaisesta maailmankaikkeudesta muutaman ensimmäisen minuutin kohdalta kevyiden alkuaineiden kautta ja 380 000 vuoden kohdalta kosmisen mikroaaltotaustan kautta. Mutta siitä välistä, kymmenien tai satojen miljoonien vuosien ajalta, havaintomme ovat puutteelliset.
Yksi ongelma on se, että mitä varhaisempiin aikoihin katsoo, sitä himmeämpiä kohteet ovat, eli sitä kauemmin joutuu tuijottamaan samaa kohtaa taivaasta niiden kiilun näkemiseksi. Toinen ongelma on se, että keski-iässä ja sitä aiemmin galakseja ja muita aineklimppejä on vähemmän nähtäväksi, kun niitä ei ole vielä ehtinyt paljon muodostua.
JWST näkee galakseja ja tähtiä ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli noin 200 miljoonaa vuotta vanha, kenties galaksien ja tähtien ensimmäisen sukupolven. Maailmankaikkeuden laajenemisen takia valon aallonpituus on noilta ajoilta venynyt noin 20-kertaiseksi, joten galakseista ja tähdistä näkyvän aallonpituuden alueella matkaan lähtenyt valo on nykyään infrapunavaloa. Samaan tapaan valo, joka irtosi aineesta maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuotta vanha, on venynyt tekijällä 1090, joten se on nykyään mikroaaltoja. JWST:n infrapunahavainnot paikkaavat aukkoa varhaisen ajan mikroaaltojen ja myöhäisen maailmankaikkeuden näkyvän valon välillä.
On epäselvää, miten galaksit ovat kasvaneet niin aikaisin niin isoiksi kuin mitä on havaittu, ja miksi niiden keskustojen mustat aukot ovat niin raskaita. Varhaisten galaksien näkeminen suoraan auttaa selvittämään näiden mustien aukkojen syntyä: miten ne ovat ehtineet kerätä romahtaneista tähdistä niin paljon massaa, vai tarvitaanko kenties niiden siemeniksi muinaisia mustia aukkoja, jotka ovat muodostuneet kauan ennen kuin tähtiä oli olemassa.
Tähtien saralla yksi eksoottinen ehdotus on se, että ensimmäisten tähtien pääasiallinen energianlähde ei ollut atomiydinten fuusio, vaan niiden keskustaan kertyneen pimeän aineen annihilaatio, ja JWST auttaa hylkäämään tai vahvistamaan tämän idean.
Näiden muutaman mainitsemani tutkimuskohteen lisäksi JWST:llä toteutetaan monia havaintoprojekteja ja luodataan useita tähtitieteen ja kosmologian kysymyksiä. JWST, kuten Hubble-teleskooppi, on yleislaite ja kiinnostavinta on se, mitä ei osata odottaa.
Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, JWST aloittaa datan keräämisen kesällä. Teleskoopin on määrä toimia vähintään 5 ja toivottavasti ainakin 10 vuotta, ja usein satelliitit kestävät suunniteltua pidempään. Mutta ensin saa jännittää sitä, saadaanko laite laukaistua onnistuneesti taivaalle ja avautuuko se ongelmitta.
Päivitys (21/12/21): Korjattu, että JWST havaitsee myös näkyvää valoa.
15 kommenttia “Näkymä keski-ikään”
Vastaa
Kehityskeskustelua
Koska fysiikan tutkimuskysymykset ovat pitkälle erikoistuneita ja niiden setvimiseen käytetty matematiikan kieli on kovin erilainen hyvin inhimillisen ajattelun ja viestinnän välineiksi kehittyneet kielet (kuten suomi ja englanti), tutkimuksen ja sen populaarin esityksen välillä on kuilu. Tämän takia popularisoinnista ei ole juuri hyötyä tutkimuksen tekemiselle. Asian kääntöpuoli on se, että kun lähestyy fysiikkaa yleistajuisen selittämisen kannalta, tulee pohtineeksi sellaisia kysymyksiä, joita ei tutkiessa ajattele.
Esimerkki tästä on se, että kun valmistelin viime kuussa Harppi-festareille esitystä kosmisesta inflaatiosta, mietin pitäisikö minun sanoa, että fyysikot ovat löytäneet inflaation vai että he ovat kehittäneet sen.
Kehittämisen puolesta puhuu se, että fysiikan malleja ja teorioita ei voi suoraan havaita tai mitata kokeista kuin uusia saaria tai eläinlajeja. Lisäksi mallien ja teorioiden tekeminen on sosiaalista ja luovaa toimintaa, missä keksitään erilaisia ideoita, laitetaan tunnettuja palasia yhteen ja ehdotetaan uusia. Havainnoilla on touhussa joskus isompi ja joskus pienempi rooli. Toisinaan, kuten inflaation ja yleisen suhteellisuusteorian kohdalla, lähes kaikki havainnot tehdään vasta mallin tai teorian esittämisen jälkeen. Silloinkin kun havainnot ovat keskeisiä, niiden tehtävä on auttaa valitsemaan sopiva jatke tunnetuille teorioille.
Kehittämisestä sopisi puhua senkin takia, että suurin osa fyysikkojen malleista ja teorioista on väärin. On esitetty satoja erilaisia malleja siitä, miten inflaatio on täsmälleen tapahtunut: inflaatiosta vastuussa oleva kenttä voi vuorovaikuttaa eri tavalla ja johtaa erilaisiin ennusteisiin, tai kenttiä voi olla useita. Näistä malleista korkeintaan yksi kuvaa todellisuutta, tai koko idea inflaatiosta saattaa olla väärin. Tuntuisi oudolta sanoa, että voi löytää asian, jota ei ole olemassa.
Ilmaisu löytäminen voi toisaalta olla sopiva siksi, että fysiikan teoriat kuvaavat todellisuuden piirteitä, jotka eivät riipu siitä, ovatko ihmiset vielä ymmärtäneet niitä vaiko eivät. Asiaa voi hahmottaa siten, että on olemassa äärettömän monta erilaista matemaattista rakennetta, eli tapaa yhdistää asioita loogisesti toisiinsa. Niistä kuitenkin vain yksi kuvaa todellisuutta, eli on fysiikkaa. (Tämä on yksinkertaistettu kuva. Oikeasti fysiikan eri alueiden kuvaamisessa käytetään monia matemaattisia rakenteita, jotka eivät välttämättä ole täsmällisesti yhteensopivia, mutta kuvaavat joitakin piirteitä tarpeeksi tarkasti. Ilmiö nimeltä emergenssi liittyy tähän.)
Fysiikan tutkimuksen voi käsittää luonnonlakien etsimisenä matematiikan maastosta havaintoja apuna käyttäen, ja siten on sopivaa puhua löytämisestä. Käytännössä tämä näkyy siten, että kun ollaan oikeilla jäljillä, niin asiat loksahtavat kohdalleen rakenteen ohjatessa ajattelua.
Esimerkiksi kosmisen inflaation haluttiin kestävän pitkään, jotta se ehtisi tasoittaa avaruuden ja tehdä siitä saman näköisen kaikkialla. Siksi esitettiin, että inflaatiota ajavan kentän arvo muuttuu hyvin hitaasti, jotta siltä kestää kauan heikentyä niin paljon, että inflaatio loppuu. Koska kenttä on melkein samanlainen koko inflaation ajan, myös sen kvanttivärähtelyt ovat melkein samanlaisia. Mitä varhaisemmin kvanttivärähtelyt syntyvät, sitä pidemmäksi ne ehtivät venyä avaruuden koko ajan laajetessa.
Niinpä inflaatio ennustaa oikein, että kvanttivärähtelyistä periytyvät kosmisessa mikroaaltotaustassa ja galaksien ison mittakaavan jakaumassa näkyvät epätasaisuudet ovat melkein samanlaisia niiden pituudesta riippumatta. Vielä tarkemmin, koska inflaation aikana kentän arvo laskee hitaasti, sen energiatiheys pienenee ja kvanttivärähtelyt heikkenevät vähän. Inflaatio siis ennustaa, että varhaisempina aikoina syntyneet eli pidemmiksi venyneet epätasaisuudet ovat hieman voimakkaampia, minkä havainnot ovat osoittaneet oikeaksi.
Pimeän aineen kohdalla on käynyt samoin. Pimeän aineen näkymättömyys on selitetty sillä, että se koostuu hiukkasista, joilla ei ole sähkövarausta. Tästä seuraa se, että ne eivät voi muodostaa molekyylejä ja siksi jäähtyä ja klimppiytyä yhtä tehokkaasti kuin tavallinen aine. Tämä selittää sen, että tavallinen aine on tiivistynyt galaksien keskustaan ja pimeä aine on levittäytynyt laajemmalle.
Samalla tulee selväksi, miksi galaksit muodostuvat niin varhain. Kosmisesta mikroaaltotaustasta näkyy, että 14 miljardia vuotta sitten tavallisen aineen tiheys oli sama kaikkialla sadastuhannesosan tarkkuudella. 14 miljardia vuotta on liian lyhyt aika sille, että noin pienistä epätasaisuuksista syntyisi galakseja. Koska pimeä aine ei vuorovaikuta valon kanssa, se ei näy suoraan kosmisessa mikroaaltotaustassa, ja sen tiheyserot ovat isompia kuin tavallisessa aineessa, ja nopeuttavat galaksien muodostumista pimeän aineen kasojen vetäessä tavallista ainetta puoleensa.
Ainoa vaihtoehto pimeälle aineelle on se, että gravitaatiolaki on erilainen kuin yleisessä suhteellisuusteoriassa. Tässä tapauksessa on kuitenkin pitänyt keksiä erilaisia ideoita eri havaintojen selittämiselle, sen sijaan että kaikki seuraisi suoraan yhdestä ideasta. Tämä on yksi syy siihen, miksi pimeää ainetta pidetään huomattavasti todennäköisempänä selityksenä.
On tietysti myös matemaattisia rakenteita, jotka jonkin aikaa näyttävät sopivan havaintoihin mutta osoittautuvat sitten vääriksi. Esimerkki tästä on suurten yhtenäisteorioiden kosmiset säikeet vaihtoehtona inflaatiolle.
Voisi sanoa, että väärätkin teoriat on löydetty matematiikan maastosta. Mutta minusta tuntuu silti, että löytämisestä sopii puhua vain oikeaksi osoittautuneiden teorioiden ja mallien kohdalla. Inflaatio on hyvin onnistunut idea, mutta sitä voi vielä järkevästi epäillä. Ehkä minun olisi Harppi-festareilla pitänyt puhua kehittämisestä eikä löytämisestä, vaikka tuntuukin siltä, että ollaan lähellä aikaa, jolloin tuo sana on paikallaan.
16 kommenttia “Kehityskeskustelua”
-
Cargo sanoo:
”Pimeän aineen näkymättömyys on selitetty sillä, että se koostuu hiukkasista, joilla ei ole sähkövarausta. Tästä seuraa se, että ne eivät voi muodostaa molekyylejä ja siksi jäähtyä ja klimppiytyä yhtä tehokkaasti kuin tavallinen aine. Tämä selittää sen, että tavallinen aine on tiivistynyt galaksien keskustaan ja pimeä aine on levittäytynyt laajemmalle.”
Onko kukaan pellepeloton esittänyt sellaista, että sopivissa olosuhteissa ’näkyvä sähkövaras’ voisi flipata ’pimeäksi sähkövaraukseksi’, jota sitten vastaan ’pimeä valo’? Tuollainen pimeä vuorovaikutus olisi sitten huomattavasti heikompaa verrattuna näkyvään sähköiseen voimaan ja siten mahdollistaisi havainnot.
-
Syksy Räsänen sanoo:
Ei.
Mutta on esitetty, että on olemassa toinen sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kaltainen vuorovaikutus, jonka tuntevat ainoastaan toistaiseksi tuntemattomat hiukkaset. Tavallista sähkömagneettista vuorovaikutusta välittävät fotonit ja sitä välittävät ”pimeät fotonit” voivat sitten sekoittua hieman, jolloin pimeä aine vuorovaikuttaa sähkövarausten kanssa kuten sillä olisi erittäin pieni sähkövaraus.
-
-
Kas sanoo:
Mitä pimeän aineen tiheysjakaumasta tällä hetkellä tiedetään? Onko jotain pääteltävissä sen perusteella miten paljon pimeää ainetta on eri ”tyyppisissä” galakseissa (esim onko esim eroja sillä miten kaukana galaksit ovat meistä) ja toisaalta miten pimeä aine on jakaantunut galaksien sisällä?
Ilmeisesti pimeä aine galaksien sisällä ei ole voimakkaasti ”klimpittynyt” tähtien ympärille, koska sen pitäisi varmaankin vaikuttaa mittaustietoon, mitä tähdistä tällä hetkellä kertyy (tai onko olemassa tähtitason mittaustietoa, jossa pimeän aineen vaikutus näkyy?)
Ja tähän vielä jatkokysymys: jos oletetaan että pimeä aine on jakautunut tasaisesti esim linnunradan sisällä, niin kuinka suurta näkyvän aineen massaa se vastaisi aurinkokunnassa (vaikka pallon tilavuus, jonka säde on Pluton kiertoradan etäisyydellä auringosta)?
-
Pimeän aineen ja näkyvän aineen suhde sekä jakauma vaihtelee galaksin koon ja tyypin mukaan.
Karkeasti, Linnunradassa suunnilleen Maan radan sisällä näkyvä aine hallitse liikkeitä, ja kauempana pimeä aine on merkittävä. Pimeän aineen pienimpien klimppien kokoa ei tiedetä, se riippuu siitä, millaisista hiukkasista pimeä aine koostuu ja miten sen jakauma kehittyy. Tyypillisissä pimeän aineen malleissa pienimmät klimpit ovat noin valovuoden kokoisia (mutta tämä vaihtelee paljon).
Pimeää ainetta on paljon pidemmälle kuin näkyvää ainetta, eli tuossa vertailussa pitäisi tarkentaa, ottaako huomioon kaiken pimeän aineen vain vain siltä osalta, missä on paljon myös näkyvää ainetta. Yleensä galakseissa ja kääpiögalakseissa on karkeasti muutamasta jokuseen kymmeneen kertaa enemmän pimeää ainetta kuin näkyvää ainetta.
Pimeän aineen massatiheys Aurinkokunnan etäisyydella Linnunradasta on noin 10^(-21) kg/m^3.
-
Eli periaatteessa jos pimeän aineen tiheysjakaumaa pystyttäisiin mittaamaan tarkemmin, voitaisiin ainakin sulkea pois jotkin vaihtoehdot pimeän aineen osalta? Onko tämän mittaustarkkuuden saavuttaminen millään muotoa realistista?
-
Kyllä vain! Muun muassa kollegani Till Sawala Helsingin yliopistossa tutkii pimeän aineen klimppien vaikutuksen näkyvään aineeseen havaitsemista.
-
-
-
-
Erkki+Kolehmainen sanoo:
”Ainoa vaihtoehto pimeälle aineelle on se, että gravitaatiolaki on erilainen kuin yleisessä suhteellisuusteoriassa. Tässä tapauksessa on kuitenkin pitänyt keksiä erilaisia ideoita eri havaintojen selittämiselle, sen sijaan että kaikki seuraisi suoraan yhdestä ideasta. Tämä on yksi syy siihen, miksi pimeää ainetta pidetään huomattavasti todennäköisempänä selityksenä.”
Jospa nyt ollaankin tilanteessa, missä yleinen suhteellisuusteoria on kovattava vielä yleisemmällä teorialla kuten Newtonin mekaniikka kvanttiteorialla 1900-luvun alussa, jotta päästään eteenpäin?.
-
Ei vaikuta luultavalta, että pimeän aineen sijaan kyse olisi gravitaatiolain muokkauksesta, mutta onhan se mahdollista.
Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/
-
Erkki Tietäväinen sanoo:
Tämä on juuri sitä, mistä olen aina tilaisuuden tullen ”saarnannut”. Kun tutkijat pitävät jotain seikkaa (tässä tapauksessa gravitaatiolakia) annettuna totuutena, ilmiöiden – kuten pimeän aineen – selittämisessä, ei millään päästä eteen päin kun annettu lähtökohta on virheellinen. Gravitaatiolakia rustaamalla pimeän aineen dilemmasta ja monesta muustakin selittämättömästä voitaisiin hyvinkin päästä eroon.
Mistä löytyisi se ”uusi Einstein”, joka korjaisi sukupolvien ajan tutkimusta jarruttaneet virheet?
-
Kommenttiini linkatun blogimerkinnän lukemalla saa selville, että muutoksia gravitaatiolakiin on tutkittu. Niillä ei vain ole pystytty selittämään havaintoja eikä ennustamaan uusia, kun taas pimeä aine on tehnyt näin onnistuneesti kerta toisensa jälkeen.
Tämä riittäköön tästä.
-
Martti V sanoo:
Alkuperäinen suuri yhtenäisteoria on matemaattisesti elegantti, mutta protonin hajoamattomuus on laskenut sen suosiota. B-mesonin hajoamiskokeet lisäsivät varmasti kiinnostusta uudelleen teoriaperheeseen. Onko myoniin vaikuttavaa hypoteettista leptokvarkkia varten kokeita suunnitteilla?
-
Yhtenäisteorioissahan oli (ja on yhä) se esteettinen ongelma, että yhtenäisteorian ja Standardimallin isolle skaalaerolle ei ole vakuuttavaa selitystä.
En tiedä onko suunnitteilla koetta etsimään B-mesonikokeen tulosten selitykseksi esitettyjä leptokvarkkeja.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/parempi-vaarassa-kuin-sekaisin/
-
Energiaskaala on ulottumattomissa suorista leptokvarkin havainnosta. Jos protonin hajoaminen on mahdollista, sen aiheuttama bosoni on hyvin raskas ja näin ollen sen esiintyminen nykyään lienee erittäin epätodennäköistä. Voiko se olla mahdotonta ilman riittävää energiaskaalaa?
-
En ymmärrä kysymystä.
Mutta lienee paikallaan selventää, että B-mesonien hajoamisen selittämiseksi ehdotettu leptokvarkki on paljon kevyempi kuin suurten yhtenäisteorioden leptokvarkit. (Jotka tosiaan ovat kaukana nykyisten kokeiden ulottumattomissa.) Silloin pitää tietysti huolehtia siitä, että protoni ei hajoa liian nopeasti leptokvarkkien pienemmästä massasta huolimatta, mutta sellaista ideaa tuskin onkaan, joka olisi liian kiemurainen teoreetikkojen selitettäväksi.
-
-
-
-
-
Lentotaidoton sanoo:
Martti Vlle: Myös hypoteettisiä leptokvarkkeja käsittelee mainio Räsäsen aikaisempi blogi: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/suti-ja-vasara/
Lue myös kommentoinnit.
-
Pahoittelut epäselvästä kysymyksestä, joka lähti ennen aikojaa, mutta vastaus taisi olla mitä hain. Tuohon aikasempaan blogiin juuri viitaten, kokeisiin sopiva leptokvarkki on liian kevyt (40Tev) yhtenäisteorioiden vaatimaan protonin hajoamisajan alarajaan, mikä varmaan vähentää kyseisten teorioiden tutkimusta.Toki korkeammilla energiaskaaloilla voi tapahtua tuntemattomia asioita kuten kolme leptokvarkkityyppiä vuorovaikuttavat keskenään vielä raskaamman bosonin kautta.
-
Vastaa
Mittaamaton sekunti
Maailmankaikkeuden historia tunnetaan havaintojen puolesta varsin hyvin sekunnista eteenpäin. Vaikka ensimmäinen sekunti on inhimillisesti mitattuna lyhyt aika, sen aikana voi kosmologisesti tapahtua paljon. Esimerkiksi jos aksioneja on olemassa ja aksionisäikeitä muodostuu, niiden koko elämänkaari mahtuu muutamaan ensimmäiseen mikrosekuntiin.
Kosmologit hahmottavat varhaisen maailmankaikkeuden vaiheita ennemmin energian kuin ajan kautta. Koska maailmankaikkeus laajenee, varhaisempina aikoina aineen energiatiheys (energia jaettuna tilavuudella) oli isompi. Energiatiheys kertoo, mikä on hiukkasten ja niiden välisten reaktioiden tyypillinen energia.
Energialle on yläraja – inflaation energiaskaala oli korkeintaan 10^19 kertaa niin iso kuin energiaskaala ensimmäisen sekunnin aikaan ja 10^28 kertaa niin iso kuin nyt. Jos energiaskaala olisi ollut korkeampi, inflaation aikana syntyneet gravitaatioaallot olisivat niin vahvoja, että ne olisi jo havaittu.
Ensimmäinen sekunti saattaa siis pitää sisällään yli miljardi miljardia kertaluokkaa energioita. Mitä korkeammissa energioissa ollaan, sitä nopeammin maailmankaikkeus laajenee, ja sitä nopeammin energia laskee. Mutta reaktiot vastaavasti tapahtuvat sitä kiivaammin, mitä isompi energia on, joten lyhyeen ajanjaksoon sisältyy sitä enemmän tapahtumia.
Fysiikan tutkimuksessa on tähän mennessä tullut vastaan uudenlaisia ilmiöitä korkeampiin energioihin päästessä. Atomiytimien energiaskaala on noin miljoona kertaa isompi kuin molekyylien ja atomien; protonien ja neutronien energiaskaala on noin kymmenen-sata kertaa isompi kuin ytimien; ja korkein tunnettu energiaskaala, joka liittyy Standardimallin sähköheikkoon vuorovaikutukseen, on siitä tuhatkertainen.
CERNin LHC–kiihdytin kurkottaa sähköheikkoa skaalaa sata kertaa korkeampiin energioihin, ja yleisesti odotettiin, että se (ja jo LHC:tä edeltäneet kiihdyttimet, kuten Fermilabin Tevatron) veisi meidät tuntemattoman fysiikan äärelle, mutta tässä on kohdattu pettymys. Energian kasvattaminen kiihdyttimissä kymmen- tai satakertaiseksi vaatii vuosien panostuksen yhä kehittyneempiin laitteisiin. Varhaisessa maailmankaikkeudessa kaikki käydään läpi sekunnissa, mutta ongelmana on se, että havaintojen puolesta ollaan täysin sen varassa, mitä meille jää mitattavaksi.
Ensimmäisen sekunnin rajapyykki tunnetun ja tuntemattoman välillä määräytyy siitä, että silloin alkaa tapahtumasarja, jossa protonit ja neutronit yhtyvät kevyiksi atomiytimiksi, joiden suhteelliset määrät voi nykypäivänä mitata. (Ottaen huomioon sen, miten niitä on myöhemmin rikottu ja koottu tähdissä.) Sen sijaan esimerkiksi mikrosekunnin aikaan tapahtunut kvarkkien yhtyminen protoneiksi ja neutroneiksi ei luultavasti jätä tarpeeksi isoja kosmologisia jälkiä, että pystyisimme niitä erottamaan, vaikka tapahtuma on pystytty toistamaan kiihdyttimissä.
Tavallaan kolme neljästä kosmologian isosta kysymyksestä koskee varhaisten tapahtumien jälkiä. Pimeä aine, näkyvän aineen ja antiaineen epäsuhdan synty, ja rakenteen siemenet (jotka inflaatio selittää) ovat kaikki jäänteitä muinaisilta ajoilta. (Neljännen ison kysymyksen, maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen, kohdalla ei olla niin varmalla maaperällä, että osattaisiin sanoa, liittyykö sen selitys varhaisen maailmankaikkeuden tuntemattomiin tapahtumiin.)
Lisäksi erilaisiin teoreettisiin ideoihin liittyy ennustuksia uudenlaisista merkeistä, joita ei ole vielä havaittu. Tällä hetkellä huomio on kiinnittynyt muinaisten aikojen gravitaatioaaltoihin, joita voi syntyä Higgsin kentän kuplista, aksionisäikeistä, tai muista tapahtumista. Gravitaatioaaltojen hyvä puoli on se, että koska ne vuorovaikuttavat niin heikosti, ne eivät syntynsä jälkeen juuri häiriinny maailmankaikkeuden tapahtumista, ja kantavat siksi ikuisuuteen tietoa kaikesta mitä on koskaan tapahtunut. Huono puoli on se, että koska gravitaatioaallot vuorovaikuttavat niin heikosti, niitä on vaikea havaita.
Kosmologien näkökulmasta ensimmäinen sekunti on mittaamaton alue, joka kätkee uumeniinsa vastaukset kysymyksiin maailmankaikkeuden koostumuksesta ja rakenteista, ja josta meillä on ristiriitaisia ja vajaita teoreettisia karttoja.
22 kommenttia “Mittaamaton sekunti”
-
Tuo sekunnin mittatolppa on tärkeä myös eräästä muusta syystä, eli neutriinothan rupesivat tuossa vaiheessa jo palelemaan niin että lakkasivat leikkimästä toisten hiukkasten kanssa. Eli muodostui tuo neutriinotaustasäteily, joka teoreettisesti laskettuna täyttää kosmoksen noin 1,95 Kelvinissä. Teknisesti tuon säteilyn suora toteaminen lienee toistaiseksi täydellisen mahdotonta (onhan energistenkin neutriinojen tutkiminen erittäin hankalaa). Käsittääkseni teoreettisesti tuolla neutriinotaustasäteilyllä pitäisi kuitenkin olla myös jonkinmoiset (havaittavat?) vaikutukset esim kosmiseen taustasäteilyyn kuin myös teoriaan nukleosynteesistä.
Eli kosmisia taustaneutriinoja pitäisi periaatteessa olla myös havittavissa (nehän vuorovaikuttavat niin heikosti, että mihinkä olisivat siis kadonneet ja niitä on viittä vaille pirustas). Aikoinaan 5-6 vuotta sitten lähdettiin toisella asialla soitellen sotaan tiedottamalla inflaation aikuisista mikroaalto-taustasäteilyn polarisaatiosta (BICEP2). Siitä flopista opittiin tiedottamisen varovaisuutta.
Siksi kysynkin, onko nyt edes menossa minkäänlaisia ”suoria” (eikä niin kauheasti yleisesti mainostettuja) kokeita tämän 1,95 K neutriino- taustasäteilyn toteamiseksi.
-
Tuo sekunti on rajapyykki juurikin neutriinoiden irtikytkeytymisen takia. Silloin neutroneiden ja protonien väliset reaktiot (joihin tarvitaan neutriinoita) eivät enää ole tasapainossa, joten neutronit hajoavat protoneiksi, ilman että uusia syntyy tilalle. Tämä vaikuttaa siihen, mikä neutronien ja protonien suhde kun kevyet ytimet alkavat muodostua noin kolme minuuttia myöhemmin.
Neutriinotaustan olemassaolo on tosiaan mitattu sekä kevyiden alkuaineiden pitoisuuksista että kosmisesta mikroaaltotaustasta. Varhaisina aikoina 41% maailmankaikkeuden kokonaisenergiatiheydestä on neutriinoissa, joten jos niitä ei olisi, laajenemisnopeus olisi erilainen.
On suunnitteilla koe nimeltä PTOLEMY, jossa pyritään havaitsemaan kosmista neutriinotaustaa. Yksi iso ongelma on se, että kokeeseen tarvittaisiin vähintään kilon luokkaa tritiumia, ja se on hyvin kallista (ja hyvin radioaktiivista ja hyvin vaikeasti käsiteltävää).
-
Jaahans, täältä näkyy löytyvän lisätietoa:
https://indico.cern.ch/event/917643/attachments/2055310/3447984/giachero.PTOLEMY.pdf
Tässä puhutaan 100 gr:sta Tritiumia ja tällä noin 10 tapausta vuodessa.
“PTOLEMY (Phase-2) • Full-scale experiment • 100 g of Tritium; • Relic neutrino telescope; • around 10 events/y expected”Täällä perusteellisempi PDF : file:///C:/Users/Hessu/Downloads/PTOLEMY_A_Proposal_for_Thermal_Relic_Detection_of_.pdf
Näyttää olevan vielä alkutekijöissään koko projektiNäitä erinäisiä tutkimuspapereita näkyy olevan googlettamalla useita (monen vuoden takaa).
-
Kensuke Akita puhui syyskuussa aiheesta Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa. (Puhe: https://unitube.it.helsinki.fi/unitube/embed.html?id=6ccf8a7c-3b8b-4de3-9b1b-89414321f0e0)
Mainitsemasi luvut tapahtumista/vuosi eivät yksinään kerro paljoa, koska pitää ottaa huomioon se, kuinka iso tausta on. Kensuka Akitan mukaan tarvitaan noin 10 kg tritiumia, jotta signaali nähtäisiin kohinasta. Mutta kuten sanot, koe on vasta suunnitteilla.
-
Heh, väitätkö totisella naamalla saavasi selvää Akitan ”englanninkielestä”? En oikein ymmärrä tällaista. Meillä valitetaan rallienglannista, mutta tämä on sama kuin aitosavolainen, joka ei koskaan ole kuullut Englannin sanaa, pantaisiin sitä puhumaan. Nämä (tiedemiehet) sentään opiskelevat vuosikausia ulkomaisissa yliopistoissa (Jenkeissä?). Itse luulin ymmärtäväni Englantia (asunut joskus Kaliforniassa). Mutta ei. Paras panna ääni pois ja lukea itse.
-
Kyllä. Eri puolilta maailmaa tulevilla tutkijoilla on erilaisia englannin kielen aksentteja ja osaamista. Fysiikkaa opiskellaan muuallakin kuin Yhdysvalloissa. Yksi osaamisensa on eri tavalla puhutun englannin seuraaminen.
-
-
-
-
-
RäätikkäLoora sanoo:
avaruuden laajenemisesta; kuu erkaantuu maasta 3.8 cm/ vuosi – hubblen vakio on 380 000 km välimatkalla yhtä paljon. onko tämä sattumaa?
-
Kahden avaruuden pisteen, joiden etäisyys on 380 000 km ja jotka etääntyvät toisistaan maailmankaikkeuden keskimääräisellä laajenemisnopeudella, etäisyys kasvaa noin 30 km vuodessa, ei 3.8 cm.
Kuun kanssa tällä ei ole mitään tekemistä, Aurinkokunnassa (tai missään Linnunradassa) avaruus ei laajene.
Tämä riittäköön tästä.
-
tarkistin laskun; 71 km/s per megaparsek (3,08 x 10e19 km)
= 8,74x10e-13 km/s per 380,000 km
2,75 x 10-5 km
eli 2,757 cm/vuosi , ei suinkaan 30 kmTokihan tohtoris mies osaa laskea näinkin yksinkertaisen laskutoimituksen?
avaruus laajenee myöskin pienillä mittakaavoilla; aurinkokunnassa laajentumisen kumoaa kappaleen (positiivinen käpristyminen)
-
Niinpä onkin. Avaruuden laajenemisen kanssa asialla ei kuitenkaan ole mitään tekemistä.
-
-
-
-
Energiaskaala taitaa muuttua inflaation aikana. Oliko tuo mainitsemasi maksimi madollinen alkutila (mikäli inflaatiolla on alkua)? Maksimi energia lienee noin tuhat kertaa alle plackin skaalan (noin 10^25eV).
-
Tosiaan.
Mainitsemani raja energiaskaalalle tulee siitä, että inflaatiossa syntyvien gravitaatioaaltojen korkeus on verrannollinen energiaskaalan neliöön. Gravitaatioaalloille taasen saadaan raja siitä, että niistä ei näy jälkeä kosmisessa mikroaaltotaustassa.
Kosmisessa mikroaaltotaussa näkyvät epätasaisuudet syntyvät inflaatiossa ajanjaksona, jonka jälkeen maailmankaikkeus laajenee noin tekijällä 10^(22) ennen inflaation loppumista. Sitä isompia epätasaisuuksia (jotka ovat syntyneet aiemmin) emme voi havaita, koska niiden koko on isompi kuin näkemämme osa maailmankaikkeudesta. Sitä paljon pienempiä emme ole vielä mitanneet, koska ne ovat sekoittuneet rakenteiden kehityksessä niin tehokkaasti. (Jonkun verran pienempiä on kyllä mitattu, ja vielä pienempiä tullaan mittaamaan teknologian ja analyysin koko ajan kehittyessä.)
On muitakin rajoja inflaation energiaskaalalle, erityisesti spektridistortioista (ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/muisto-laheisesta-yhteydesta/) ja siitä, että mustia aukkoja ei ole syntynyt ainakaan enempää kuin mitä pimeää ainetta on olemassa.
-
-
OK, en lähde enempää kinaamaan Englannin kielestä. Tuossa ihan lopulla oli kysymysosio ja yksi kysyjä epäili 10 kilon tritiumin saamista (ja käsittelyä) täysin epärealistiseksi missään vaiheessa ja mikäli ymmärsin niin tästä oli itse esitelmöitsijäkin samaa mieltä.
-
Kyllä (kysyjä olin minä).
-
-
Vai oliko energiatiheys vakio inflaation aikana ajan suhteen? Voisiko gravitaatioallot paljastaa myös inflaation alkuvaiheen olemuksesta ja voisiko siinä tulla kvanttigravitaation efektit esiin?
-
Inflaation tunnetun osan aikana energiatiheys on melkein vakio, pienenee hitaasti.
Ei tiedetä, miten kauan inflaatio on kestänyt ennen tuota kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyvää periodia. Eri malleissa inflaation kesto vaihtelee paljon, eikä meillä ole sen enempää teorian kuin havaintojen puolesta mitään tietoa inflaation alkuvaiheista. (Vaikka erilaisia ideoita siitäkin on esitetty ja tutkittu.)
-
-
Mikä esti maailmankaikkeuden ”vajoamisen” mustaan aukkoon alkuräjähdyksen alkuvaiheessa? Oliko inflaatio alkuvaiheessa niin voimakas/nopea, että aineen/energian tiheys laski alle kriittisen pisteen tai onko olettama, että gravitaatio ei vaikuttanut alkuräjähdyksen aikana?
-
Tätä kysytäänkin usein, pitäisi tehdä ehkä oma merkintänsä mustien aukkojen synnystä.
Musta aukko ei synny kun tiheys on iso (tarpeeksi massaa tilavuudessa) vaan kun on tarpeeksi massaa tietyn säteen sisällä. Mustien aukkojen tiheys voi periaatteessa olla mitä tahansa – mitä isompia ne ovat, sitä pienempi on tiheys.
Varhaisessa maailmankaikkeudessa inflaation jälkeen syntyy mustia aukkoja jos alueen tiheys verrattuna ympäristöön on tarpeeksi iso. (Tällöin ehto säteen sisällä olevasta massasta toteutuu aineen romahtaessa.) Tyypillisesti tarpeeksi tiheitä alueita on äärimmäisen vähän, mutta joissakin inflaatiomalleissa niitå on tarpeeksi, jotta mustia aukkoja syntyy merkittäviä määriä. Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/konservatiivisuuden-nokareet/
-
Vaikuttaako se, että alussa energiatiheys oli hyvin tasainen ja avaruuden kaatevuus lähellä nollaa?
-
Se, että energiatiheys on hyvin tasainen tosiaan vaikuttaa. Mitä isompia poikkeamia, sitä helpommin mustia aukkoja muodostuu.
Avaruuden kaarevuuden vaikutuksesta en osaa sanoa varmasti. Luulisin että jos kaarevuus olisi positiivinen, romahdus olisi helpompi, ja jos negatiivinen niin vaikeampi.
-
-
-
-
Jyri T. sanoo:
Sitten pieni kysymys spekulatiivista fysiikkaa, joska Syksy ei tunnetusti innostu, mutta minua on pitkään mietityttänyt Paulin kieltosäännön luonne varhaisessa maailmassa. Olisi mahdollista ajatella, että kosmisen inflaation kaltainen tilanne voisi syntyä, jos ensi syntyisi joukko fermioneja (tai ”protofermioneja”) ja vasta sen jälkeen tulisi voimaan Paulin kieltosääntö, joka ajaisi fermionit kauemmaksi toisistaan?
No, yllä olevaan en odota Syksyltä vastausta, mutta…
Onko mielekästä edes ajatella fermioneja ja Paulin kieltosääntöä erillisinä ilmiöinä? Eli onko maailmankaikkeuden alussa voinut olla spin-½-hiukkasia (tai niiden prototyyppejä) jo ennen kuin oli Paulin kieltosääntöä?
-
Ei.
Fermioneiksi kutsutaan hiukkasia, jotka noudattavat Fermi-Dirac-statistiikkaa, eli joille Paulin kieltosääntö pätee. Kvanttikenttäteorian perusrakenteesta seuraa, että (3+1 tai useammassa ulottuvuudessa) hiukkasten spin on puoliluku (eli 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, jne.), ja että hiukkaset joiden spin on kokonaisluku ovat bosoneita ja muut fermioneita.
Tietysti voi olla, että varhaisessa maailmankaikkeudessa ainetta ei enää voi kuvata kvanttikenttäteorian keinoin, tai ulottuvuuksia on vähemmän. (2+1 ulottuvuudessa hiukkasten spin voi olla mikä tahansa reaaliluku.)
-
Vastaa
Vinot kuvat
Yksi tämän vuoden odotetuimpia kosmologisia havaintoja on tutkimusryhmän Dark Energy Survey (DES) ensimmäisen kolmen vuoden tulokset. DESin jäsen Elisabeth Krause puhui niistä viime viikolla etänä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa.
DES otti vuosina 2013-19 Chilessä Andeissa olevalla teleskoopilla kuvia galakseista. Ensimmäisen kolmen vuoden aikana se mittasi yli sadan miljoonan galaksin paikat ja muodot. Projektin pääasiallinen tarkoitus on selvittää, vastaavatko havainnot yksinkertaisimman pimeän energian mallin eli tyhjön energian ennustuksia.
Tyhjön energiaa on esitetty maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen selitykseksi 1990-luvun puolivälistä alkaen, ja havainnot ovat lähes kokonaan sopineet sen ennustuksiin. Tervetulleeksi ongelmaksi on kuitenkin noussut se, että kosmisesta mikroaaltotaustasta päätelty arvo maailmankaikkeuden laajenemisnopeudelle on hieman pienempi kuin läheisistä supernovista suoraan mitattu arvo.
Koska kosmologisten havaintojen analysoimisessa on vaikea varmistaa, että kaikki mahdolliset virhelähteet on otettu kunnolla huomioon, kahden havaintotavan ristiriidan ratkaisemiseksi on tärkeää verrata kolmannenlaiseen havaintoon. Galaksien paikat ja muodot ovat hyvä kolmas tie, koska niihin vaikuttavat tekijät tunnetaan hyvin, galakseja on paljon ja niitä on helppo havaita.
Krausen esitys havainnollisti sitä, miten monipolvisia nykyiset analyysit ovat, ja miten paljon vaivaa virheiden ruotimiseen nähdään. Yksi merkittävä mahdollinen virheiden lähde liittyy ihmisten tapaan hyväksyä helpommin sellaisia vastauksia, jotka ovat sopusoinnussa aiemmin tunnetun kanssa. Fysiikassa tämä voi johtaa siihen, että virheitä etsitään hanakammin silloin, kun tulokset poikkeavat mallin ennusteista. Vastaavasti jos kaikki näyttää vastaavan odotuksia, virheitä saatetaan jättää etsimättä.
Tämän välttämiseksi on yhä tavallisempaa, että havainnot analysoidaan sokkona, niin että tutkijat itsekin näkevät tulokset vasta kun analyysi on valmis. DESin tapauksessa sen mittaamiin asioihin kuten maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen lisätään sattumanvaraisesti luku, joka paljastetaan vasta kun on päätetty mitä kaikkia virheitä otetaan huomioon ja ratkaiseva analyysi on tehty.
Maailmankaikkeuden laajeneminen vaikuttaa siihen, kuinka paljon galakseja muodostuu ja miten ne ovat jakautuneet. Mitä nopeammin avaruus laajenee, sitä vaikeampi tiheiden alueiden on romahtaa galakseiksi. Lisäksi, mitä nopeammin avaruus laajenee, sitä kauemmas galaksit ovat meistä etääntyneet. Tämä etäisyys vaikuttaa siihen, miten niiden muodot vääristyvät valon taipumisen takia, minkä selvittämisessä DES on omimmillaan.
Ensimmäinen yleisen suhteellisuusteorian kokeellisesti testattu ennustus oli se, että gravitaatio vaikuttaa valon kulkuun. Kun valon taipuminen Auringon lähellä mitattiin vuoden 1919 auringonpimennyksen aikaan, yleisestä suhteellisuusteoriasta tuli tiedeyhteisössä hyväksytty, ja sen pääasiallisesta kehittäjästä Albert Einsteinista tuli tiedejulkkis. Kuten fysiikassa usein käy, tämä gravitaatiolinssi-ilmiö on siirtynyt teorian testaukseen käytetystä ainutlaatuisesta kokeesta jokapäiväiseksi työkaluksi.
Jos tarkalleen meidän ja valonlähteen välissä on iso massakeskittymä, kohteen kuva voi vääristyä kokonaan. Tätä kutsutaan vahvaksi gravitaatiolinssi-ilmiöksi. Tämä on poikkeuksellista, koska yleensä taivaalla näkyvät massat eivät ole sopivasti linjassa. Mutta koska ainetta on joka paikassa, kaikkien näkemiemme kosmisten kappaleiden kuvat ovat hieman vinoutuneita. Tätä kutsutaan heikoksi gravitaatiolinssi-ilmiöksi, ja se on yksi kosmologian merkittävimpiä uusia havaintoväyliä.
Jos galaksi olisi tismalleen pyöreä, niin heikon gravitaatiolinssi-ilmiön takia se puristuisi yhdestä suunnasta ja venyisi toisesta noin prosentin verran. Koska galakseilla on erilaisia muotoja ja näemme niitä eri kulmista, tätä ellipsiksi vääntymistä ei yksittäisen galaksin kohdalla voi erottaa (toisin kuin vahvaa gravitaatiolinssi-ilmiötä). Se tulee näkyviin vasta kun tarkastellaan isoa määrää galakseja ja katsotaan, mihin suuntaan ne ovat keskimäärin kallellaan. DES määrittää myös galaksien etäisyydet vain tilastollisesti, ei kaikille yli sadalle miljoonalle kohteelle erikseen.
DES pitää kirjaa galaksien kasautumisesta, muodon vinoutumisesta, ja näiden kahden riippuvuudesta toisistaan. Ensin koeryhmä tarkistaa, antavatko kaikki kolme havaintosarjaa yhtäpitävät tulokset laajenemisnopeudelle ja muille suureille, ja tämän toteamisen jälkeen ne yhdistetään isomman tarkkuuden saamiseksi. Osassa DESin havaintoja lähellä olevat galaksit näyttävät kasautuvan vahvemmin kuin muiden havaintojen perusteella odottaisi; tässä on luultavimmin kyse jostain niiden analyysiin liittyvästä ongelmasta.
Analyysiä oli tekemässä yli 200 ihmistä, ja se kesti noin neljä vuotta – kauemmin kuin datan kerääminen. Tulosten raportoiminen vei 29 artikkelia, satoja sivuja siis. Kuten nykyään lähes aina, oikean datan analysoimista edelsi suuri määrä simulaatioita, joilla testattiin, että menetelmät toimivat kuten pitää.
Pitkän työn tuloksena on se, että kaikki sopii yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa. Aiemmin vaikutti siltä, että galaksien kasaantuminen olisi heikompaa kuin mitä kosmisen mikroaaltotaussa näkyvien rakenteen siementen perusteella pitäisi. Ilmeisesti kyse oli kuitenkin vain sattumasta, koska näissä tarkemmissa havainnoissa ei tällaista eroa näy. Mitä laajenemisnopeuteen tulee, kun DESin laittaa yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, ristiriita supernovahavaintojen kanssa on nyt entistä jyrkempi.
Olen usein kirjoittanut väitetyistä, vihjatuista ja todellisista löydöistä, mutta niille pohjan luo huolellinen työ, jossa tarkennetaan jo tunnettua ja kehitetään menetelmiä löytämättä mitään uutta.
DES setvii parhaillaan lähellä olevien galaksien kasautumiseen liittyvää poikkeamaa, sekä analysoi kuusivuotiskauden jälkimmäisen kolmen vuoden havaintoja. Seuraava iso askel heikkojen gravitaatiolinssien ja pimeään energiaan liittyvien mittausten saralla on Euroopan avaruusjärjestö ESAn satelliitti Euclid, jonka odotettu taivaaseen nousemisen ajankohta on juuri siirtynyt ensi vuoden loppupuolelta vuoden 2023 alkupuolelle.
28 kommenttia “Vinot kuvat”
-
Onko universumin laajenemista tutkittu pienemmillä mittakaavaoilla kuten galaksien sisällä?
-
Avaruus ei laajene galaksien sisällä, eikä muissakaan yhteen sidotuissa rakenteissa kuten galaksiryppäissä.
-
”jopa ihmiskeho laajenee, avaruuden mukana”
-
Kaikkea Tekniikan Maailmaan kirjoitettua ei kannata uskoa.
-
Jani sanoo:
Jos kyseessä on uusi teoria niin ei kai sitä noin vain voi sanoa ettei siihen tule uskoa? Eikö tämä ”normi” laajeneminenkin ole vain teoria jota ei täysin ole pystytty oikeaksi osoittamaan vai miksi näitä kilpailevia teorioita tulee?
-
En kommentoinut tieteellistä teoriaa, vaan Tekniikan Maailmaa. Tämä riittäköön tästä.
-
Tähän villiin teoriaan viitattu https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac2fad
-
Ei tästä nyt sen enempää.
-
-
-
Jarkko sanoo:
Onko niin, että gravitaatio estää avaruuden laajenemisen galaksien sisällä ja muissa sidotuissa rakenteissa?
-
Kyllä. Varhaisessa maailmankaikkeudessa kaikkien alueiden laajenemisnopeus on sadastuhannesosan tarkkuudella sama, mutta hiljalleen ylitiheiden alueiden laajeneminen hidastuu keskivertoa enemmän (koska gravitaatio vetää niiden ainetta puoleensa keskivertoa enemmän).
Jossain vaiheessa gravitaation hidastava vaikutus on niin iso, että alue lopettaa laajenemisen ja alkaa romahtamaan. Yleensä pyöriminen pysäyttää romahduksen (kuten galakseissa), mutta tarpeeksi isosta ylitiheydestä voi syntyä musta aukko.
-
Erittäin mielenkiintoista. Kiitos selvennyksestä!
-
-
-
Eli big rip skenaario ei ole realistinen?
-
Se on yksi mahdollisuus, mutta ei kuvaa nykytilannetta, eikä tässä ollut kysymys siitä.
-
Repeytymisessä pitäisi pimeän energian voittaa gravitaatio. Vaikeaa kuvitella että se olisi mahdollista.
-
Repeytyminen on ilmiö, joka tapahtuu sellaisissa pimeän energian malleissa, joissa pimeän energian energiatiheys kasvaa rajatta maailmankaikkeuden laajetessa. Ei ole mitään erityistä todisteita eikä teoreettisia perusteita odottaa, että tällaiset mallit kuvaavat todellisuutta, ne ovat vain yksi mahdollisuus.
-
-
-
-
-
voisiko olla niin, että avaruuden romahtaminen on jo alkanut jossain päin menneisyydessä ja tämä romahduksen paine saa meidän näkemämme osan avaruutta näyttämään ikäänkuin laajentuvalta? Tämä selittäisi sen, miksi menneisyydessä entropia on alhainen.
-
Ei.
-
entä jos avaruus lähtökohtaisesti käpristyy nurinpäin? eikä olekkaan täysin laakea – ja välimatkan lisääntyessä massa erkanee kiihtyvästi.
-
Kiihtyvän laajenemisen mahdollisista syistä, ks. http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kolmen_vaihtoehdon_mysteeri
-
-
-
-
Jari Toivanen sanoo:
Onko olemassa jokin raja, minkä suuruinen/tiheyksinen tuon sidotun rakenteen on oltava, jotta sen gravitaatio riittää pysäyttämään avaruuden laajenenmisen?
-
Se riippuu alueen muodosta, mutta karkea arvio on, että alue lopettaa laajenemisen kun sen tiheys on noin kuusi kertaa keskitiheys.
-
-
Onko varteenotettavaa tutkimusta, että pimeän energian määrä olisi muuttunut universumin historian aikana? Universumin laajeneminen alkoi kiihtyä joitakin miljardeja vuosia sitten. Onko se selitettävissä pelkästään gravitaation vaikutuksen heikkenemisellä, kun galaksijärjestelmät olivat erkaantuneet tarpeeksi kauas?
-
Sitä mahdollisuutta, että pimeän energian energiatiheys muuttuu ajan kuluessa on tutkittu paljon. Ainakaan toistaiseksi havainnoista ei ole löytynyt mitään tukea tälle.
Kiihtyvän laajenemisen mahdollisista syistä, ks. https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kolmen_vaihtoehdon_mysteeri
-
-
Voiko pimeä energia olla inflaatiota ajanut kenttä?
-
Onhan se mahdollista. Tällaisia malleja tutkitaan jonkun verran.
-
-
Milenkiintoista. Näyttää siltä, että tilastotiede (stokastinen) on tulossa yhä enemmän mukaan tähtitieteeseen, joka nojautuu (deterministiseen) fysikaaliseen mallintamiseen maailmasta. Onko olemassa astronomisen tilastotieteen tutkimusryhmiä ja julkaisusarjoja? Mitkä ovat suurimmat keksinnöt, mitä tähtitieteessä on tehty, jotka nojautuvat tilastotieteeseen?
-
DES on ennemmin kosmologiaa kuin tähtitiedettä. Siinä ei olla kiinnostuneita galakseista sinällää, vaan siitä mitä niiden avulla voidaan sanoa maailmankaikkeudesta kokonaisuutena.
Ei ole erillistä ”astronomista tilastotiedettä”. Tilastolliset menetelmät ovat keskeinen osa kaikkia kokeellisen fysiikan aloja.
-
Gc sanoo:
Minä olen huomannut tuon saman että tähtitieteessä käytetään stokastisia prosesseja. Näihin aika vaativiin matemaattisiin välineisiin kyllä voi tarvita erityisasiantuntemusta. Tämä linkki saattaa olla relevantti. https://en.wikipedia.org/wiki/Astrostatistics
-
Vastaa
Näkymätön valuvika
Tällä viikolla Malte Buschmann Princetonin yliopistosta puhui etänä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa aksionisäikeistä.
Aksionit olivat yksi ensimmäisiä ehdotuksia pimeäksi aineeksi. Kuten monet kiinnostavat pimeän aineen ehdokkaat, aksionit kehitettiin alun perin muihin tarkoituksiin, tässä tapauksessa värivuorovaikutusten teorian kauneusvirheen paikkaamiseksi. Pian kuitenkin hahmotettiin, että koska aksionit vuorovaikuttavat heikosti valon kanssa (eli ovat näkymättömiä), samoin kuin tavallisen aineen ja toistensa kanssa, ne ovat sopivat mainiosti pimeäksi aineeksi.
Toistaiseksi aksioneista –kuten muistakaan pimeän aineen ehdokkaista– ei ole mitään todisteita. Lukuisat kokeet ympäri maailmaa etsivät aksioneja käyttäen hyväksi sitä, että ne sekoittuvat valon kanssa. Esimerkiksi voi osoittaa lampulla seinää, jonka kummallakin puolella on magneettikenttä. Valo voi magneettikentässä muuttua aksioniksi, mennä seinän läpi ja muuttua toisella puolella takaisin valoksi, eli voi nähdä valon hohtavan seinän läpi. CERNin CAST-kokeen idea on samanlainen. Kokeessa on Aurinkoa kohti osoittava putki, jonka sisällä on magneettikenttä. Jos aksioneja on olemassa, niitä syntyy Auringossa ja matkaa sieltä Maapallolle, ja ne voivat putkessa muuttua valoksi.
Etsinnän ongelmana on se, että aksionit muuttuvat valoksi ja toisinpäin vain jos magneettikentän voimakkuus vastaa aksionin massaa. Niinpä magneettikenttä pitää säätää jokaiselle massalle erikseen, mikä tekee vaihtoehtojen läpikäymisestä hidasta.
Pimeän aineen massatiheys (paljonko massaa on kuutiometrissä) kuitenkin tiedetään, koska sen gravitaatiovaikutus on mitattu monin tavoin. Jos pimeä aine koostuu aksioneista ja tiedettäisiin niiden lukumäärätiheys (montako hiukkasta on kuutiometrissä), niin massatiheyden jakaminen sillä kertoisi aksionin massan, mikä nopeuttaisi sen löytämistä. Buschmann ja hänen yhteistyökumppaninsa juurikin laskivat, paljonko aksioneja on.
Aksioneihin liittyy useita mielenkiintoisia ilmiöitä, mikä on kaunis tapa ilmaista, että niiden lukumäärän laskeminen on vaikeaa. Aksionikenttä, kuten Higgsin kenttä, jäätyy tiettyyn muotoon lämpötilan laskiessa ajan myötä. Higgsin tapauksessa voi muodostua kuplia, joiden törmäykset synnyttävät gravitaatioaaltoja, mutta lopulta kenttä tasoittuu kaikkialla samanlaiseksi.
Aksionien tapauksessa kenttä sen sijaan jäätyy eri kohdissa eri suuntiin, ja alueiden väliin jää ohuita valuvikoja, joita sanotaan säikeiksi. Säikeet hajoavat viimeistään kvarkkien sitoutuessa protoneiksi ja neutroneiksi maailmankaikkeuden ollessa noin mikrosekunnin ikäinen, ja niistä jää jäljelle vain aksionihiukkasten aallokko. Tästä voi katsoa Buschmannin ja kumppaneiden simulaatioita säikeiden synnystä ja tuhosta.
Noiden parinkymmenen sekunnin simulaatioiden tekemisessä on iso työ niin ihmisellä kuin koneella (noin neljä miljoonaa CPU-tuntia, asiaa tunteville). Säikeiden paksuus on hiukkasfysiikan suuruusluokkaa, mutta niiden pituus on kosmisissa mitoissa. Tässä tapauksessa mittakaavojen ero on sama kuin jos pitäisi valovuoden alueella seurata yksittäisten atomiydinten sisärakennetta. Ongelma ratkaistaan siten, että simulaation aikana säädetään resoluutiota sen mukaan, missä kohtaa ollaan, käyttäen isoa tarkkuutta vain säikeiden lähellä.
Simulaatio osoittaa, että säikeiden hajoamisessa syntyvät aksionit muodostavat suurimman osan maailmankaikkeuden aksioneista, ja niiden massa on noin kymmenesmiljardisosa elektronin massasta. (Sivumennen sanoen, ne ovat aivan liian kevyitä, jotta sopisivat kokeen XENON1T viime vuonna ilmoittamaan mahdolliseen signaaliin, jota on aksionienkin avulla yritetty selittää.)
Buschmann kumppaneineen aikovat seuraavaksi laskea, synnyttävätkö säikeet aksionien lisäksi tarpeeksi voimakkaita ja sopivan pituisia gravitaatioaaltoja havaittaviksi. Jos nähtäisiin sekä oikeanlaiset gravitaatioaallot että aksionihiukkanen, pimeän aineen olemus ja alkuperä olisi järkevän epäilyn ulkopuolella.
Entä jos ennustetun massaista aksionia ei löydykään? Onneksi tai valitettavasti, näkökulmasta riippuen, aksionit voisivat silti olla pimeää ainetta. On nimittäin mahdollista, että aksioni jäätyy ennen kosmisen inflaation alkua. Silloin eri asentoihin jäätyneet alueet venyvät inflaation aikana niin paljon, että meidän näkemämme osa maailmankaikkeudesta mahtuu yhden sellaisen sisälle. Tällöin meidän nurkkaukseemme maailmankaikkeudesta (halkaisijaltaan noin 100 miljardia valovuotta) ei ole luultavasti sattunut yhtään säiettä, ja aksionit syntyvät eri tavalla.
Aksionien suosio on viime vuosina kasvanut pääasiassa siksi, että muitakaan pimeän aineen hiukkasia (erityisesti nynnyjä) ei ole löytynyt, ja samalla on opittu ymmärtämään aksioneja paremmin. Nyt on intouduttu tekemään aksioneilla muutakin kuin pimeää ainetta, esimerkiksi yrittää ratkaista saman tien kaksi muuta kosmologian neljästä suuresta ongelmasta, kosmisen inflaation ja aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan. (Neljänteen, pimeään energiaan, ne eivät luontevasti taivu.) Tämä on hyvä esimerkki siitä, että monien teorioiden ja ideoiden syvyyttä ja mahdollisuuksia ei hahmoteta ennen kuin niitä katsotaan oikeasta näkökulmasta.
18 kommenttia “Näkymätön valuvika”
-
Sunnuntaikosmologi sanoo:
Tuo on ymmärtääkseni sellaista työtä että jos osuu oikeaan niin voi ruveta odottamaan soittoa Tukholmasta.
Mutta toisaalta, eikö tuossa ole myös melko ikävän suuri mahdollisuus sille, että koko työ on täysin hukkaan heitettyä aikaa ja energiaa ?
Miten on ?
Kokeellisella puolella, jos jotain rakennetaan päämäärää varten joka ei lainkaan toteudu, niin parhaassa tapauksessa laitetta voi käyttää toiseen tarkoitukseen ja huonommassakin tapauksessa laiterakentelu voi huomattavasti kasvattaa knowhow-pääomaa.-
Suurin osa teoreetikkojen työstä on tietysti väärin – ei siinä mielessä, että siinä olisi matemaattisia virheitä, vaan siksi, että se ei kuvaa todellisuutta. On satoja pimeän aineen malleja, joista korkeintaan yksi on oikein. Mutta niissä voi olla jotain oikean mallin piirteitä, ja niitä tarkkaan tutkiessa oppii menetelmiä, joista voi olla hyötyä muualla.
Voi myös olla, että tästä työstä ei opi mitään hyödyllistä oikean pimeän aineen kannalta – sitä ei voi tietää.
Mitä Nobeleihin tulee, jos aksionit ovat pimeää ainetta, palkintoja varmaan myönnetään tutkijoille, jotka ovat niitä alun perin esittäneet (jos he ovat enää elossa) sekä niill, jotka ovat löytäneet hiukkasen tai gravitaatioaallot. Tällaisistä tärkeistä (ja usein välttämättömistä) väliaskelista ei Nobeleita myönnetä.
-
-
Antti sanoo:
jos atomit eivät emitoi valoa vaan lämpöä avaruuden kylmyydessä,
riittäisikö lämpöä emittoivien atomien määrä selittämään
pimeän aineen? -
siis nämä lämpöä emitoivat atomit yhdessä doppler ilmiön kanssa, jäi lisäämättä
-
”Lämmön emittoiminen” tarkoittaa infrapunasäteilyn eli aallonpituudeltaan näkyvää valoa hieman pidemmän sähkömagneettisen säteilyn eli -laajasti ymmärrettynä- tietynlaisen valon lähettämistä.
Pimeää ainetta ei ole havaittu siitä, että se lähettäisi infrapunavaloa – päin vastoin, sen ei ole havaittu lähettävän mitään valoa. Se on havaittu vain gravitaation kautta. Tiedetään, että pimeä aine ei koostu atomeista, vaan joistakin tuntemattomista hiukkasista.
-
ajattelin kun linnunradan tarkkaa kokoa tai
linnunradan taivaankappalaiden määrää ei vielä kyetä arvioimaan
tarkasti vaan kyetään antamaan aika isollakin heitolla
arvioita, 100 – 400 mirjardia aurinkoa esim, niin
jos osa linnunradassa olevista atomeista ei avaruuden kylmyyden takia
lähetä valoa vaan lämpöä ja ovat siksi havaintokykymme tavoittamattomissa ja niitä
ei vielä osata ottaa huomioon arvioissa kun etsitään vastausta miksi linnunrata
pyörii väärin laskennallisiin malleihin nähden.
Jos näin olisi niin galaksi pyörii sen takia
väärin nykymalleihin nähden.
tällöin pimeän aineen määritelmät ja etsinnät menisivät
varmaankin kokonaan uusiksi.
Tiedän ettet pidä spekuloinnista blogissasi,
toivottavasti et katso tätä sellaiseksi.-
Kuten yllä kirjoitin, lämpösäteily on infrapuna-alueen sähkömagneettista säteilyä eli valoa.
Tämä riittäköön tästä.
-
OK. kiitos vastauksesta.
-
-
-
-
-
”Higgsin kenttä, jäätyy tiettyyn muotoon lämpötilan laskiessa ajan myötä.”
”Aksionien tapauksessa kenttä sen sijaan jäätyy eri kohdissa eri suuntiin.”Selventäisitkö hieman että miksi näin. Jos Higgsin kenttä toimii inflatonkenttänä niin jäätyminen tapahtuu inflaation aikana (ja ehkä useaankin otteeseen ON/OFF). Jos ei inflatonina, niin sitten myöhemmin sähköheikon symmetrian rikkoutumisen aikaan. Aksionikentän symmetrian rikkoutuminen (jäätyminen) myös inflaation aikana? Miksi kenttä jäätyisi ”eri kohdissa eri suuntiin”? Ja mitä se tarkoittaa?
Higgsin kentän jäätynyt arvo 246 GeV (tämän tiedämme hiukkasten massoista). Aksionikentän jäätynyt arvo, mikä?-
No niin, hyviä tarkentavia kysymyksiä epämääräisistä muotoiluistani.
Jos Higgs on vastuussa inflaatiosta, niin sillä tosiaan on nollasta eroava arvo, joka inflaation loppumisen jälkeen putoaa nollaan (eli kenttä sulaa), kunnes jäätyy taas lämpötilan laskiessa alle 160 GeV:in. Jos Higgs ei ole vastuussa inflaatiosta, niin sen arvo poukkoilee inflaation aikana satunnaisesti. Kuten tiedät, tämä liittyy sähköheikon symmetrian rikkoutumiseen.
Ei tiedetä, koska aksionikenttään liittyvä symmetria rikkoutuu. Se voi tapahtua ennen inflaatiota, sen aikana tai sen jälkeen.
Eri suunnat tarkoittavat tässä suuntia kenttä-avaruudessa. Aksionikentällä on kaksi osaa, joita voi ajatella kaksiulotteisen kenttäavaruuden suuntina. Teoria on symmetrinen tämän kenttäavaruuden kiertojen suhteen. Kun aksioni jäätyy, se jää osoittamaan yhteen suuntaan kenttäavaruudessa. Ei ole mitään syytä, miksi tämä suunta olisi samanlainen eri paikoissa.
Higgsin kanssa käy hieman samalla tavalla. Syynä siihen, että Higgsin tapauksessa ei synny säikeitä eri alueiden välille on se, että rikkoutuva symmetria on erilainen.
Teoria ei kiinnitä aksionikentän arvoa f minimissään, se on kääntäen verrannollinen aksionien massaa, m=6*10^(-6) eV * 10^12 GeV/f. Tämän aksionisäietuloksen mukaan aksionien massa on 40-180*10^(-6) eV, ali f on noin 10^11 GeV.
-
-
Ari Leppänen sanoo:
Jos toi aksioinin massa pitää paikkansa niin silloinhan sen on dekadeja pienempi kuin neutriinon massa. Onko tuolla massan suuruudella (tai sen puuttumisella) tekemistä vuorovaikutuksen kanssa esim. protoniin ja elektroneihin mistä näkyvä maailmankaukkeus on tehty.
-
Kyllä, se että aksionin massa on niin pieni liittyy siihen, että se vuorovaikuttaa niin heikosti.
-
-
Kun aksionkenttä jäätyi, sen arvo meni nollaan ja vaihe jäi satunnaiseen arvoon. Onkos kenttä skalaari ja miten sillä on suunta?Jos jäätyminen tapahtui inflaation jälkeen, niin miten kentän suunta olisi jakaantunut? Jokainen aksioini osoittaa eri suuntaan mielivaltaisesti?
-
Aksioni on pseudoskalaari, eli käyttäytyy muuten kuin skalaari, mutta vaihtaa merkkinsä kun avaruuden suunnat käännetään.
Suunnasta, ks. vastaus Lentotaidottomalle yllä.
Hiukkaset ovat kentän pieniä tihentymiä, jäätymisessä on kyse kentän sellaisesta käytöksestä, joka ei palaudu hiukkasiin. Eri paikoissa kenttä jäätyy sattumanvaraisesti eri suuntaan, ja kun eri suuntiin osoittavat kentät kohtaavat, niiden väliin syntyy säie.
-
Jos jäätyminen tapahtui hieman inflaation jälkeen ennen higgsiä, niin millaisiin mittoihin säikeiden etäisyys on kasvanut? Eikös pimeän aineen luonne ole säikeinen rihmasto ja voisiko olla samassa miittaluokassa?
-
Kuten kirjoituksessa mainitse, säikeet ovat hajonneet viimeistään mikrosekunnin aikoihin. Pimeän aineen rihmarakenne seuraa inflaation aiheuttamista tiheysvaihteluista, eikä sillä ole mitään tekemistä aksionien säierakenteen kanssa.
-
Näkisikö hajonneista säikeistä syntyneistä aksionitiheyksistä säikeiden alkuperäinen rakenne?
-
Käsittääkseni aksionisäikeiden rakenne pyyhkiytyy pois niin tehokkaasti, että sitä ei saa enää myöhemmin selville. Mutta voin olla väärässäkin, en tunne yksityiskohtia niin hyvin.
-
-
-
-
Vastaa
Taide ja tähtitaivas
Puhun keskiviikkona 24.11. kello 16 taideyliopiston Kuvataideakatemian tilaisuudessa Taide ja tähtitaivas otsikolla Kaikkeuden epäinhimillinen kauneus. Puheen esittely on seuraava:
Kun Aurinko vajaan kahdeksan miljardin vuoden kuluttua sammuu, ihmiskunta on kuollut sukupuuttoon kauan sitten. Silti Auringon loppu ja Maapallon tuho herättää surua. Ihmiset ovat tottuneet katsomaan maailmaa inhimillisen linssin kautta, joten epäinhimillisen maailmankaikkeuden tapahtumia verrataan ihmiselämään. Toisaalta ihmisille on kehittynyt tilan ja muotojen hahmottamiseen abstraktin ajattelun välineitä, joita on mahdollista soveltaa maailmankaikkeuden täsmälliseen ymmärtämiseen ja epäinhimillisen kauneuden kokemiseen.
Tilaisuudessa puhuvat myös kulttuurintutkija Maarit Leskelä-Kärki otsikolla Avaruus ja suru, tähtitieteilijä Hannu Karttunen otsikolla Tähtikarttojen taidetta ja taiteilija Elina Saloranta otsikolla Kirje Liisiltä.
4 kommenttia “Taide ja tähtitaivas”
-
Ruut sanoo:
Millä perusteella tieteessä päätellään joidenkin tulevien tapahtumien tai menneiden ajankohdat? Miten voidaan ennustaa auringon sammuminen vuosissa? Itse ajattelen ajan olevan vain taivaankappaleiden liikkeiden suhdetta toisiinsa. En ajattele varsinaisesti lineaarisesti ainoastaan, koska se ei ole koko totuus ajasta. Vuodenkiertokin pohjoisella pallonpuoliskolla näyttätytyy syklisenä. Samoin yön ja päivän vaihtelu. Lineaarinen ajattelu ilmenee ehkä kaiken syntymän ja kuoleman vaihteluna. Eli kenellä on valta sanoa ja väittää jotain mitä tulee aikamääriin?
-
Ennustus Auringon eliniästä perustuu siihen, että tunnetaan Auringon kehitystä määräävät fysiikan lait, ja taivaalla nähdään useissa kehitysvaiheissa olevia tähtiä, joiden avulla on voitu varmentaa, että niitä on sovellettu oikein.
Arkiajattelulla ei ole mahdollista selvittää sitä, millainen fysikaalisen todellisuus on. Se vaatii matemaattista mallintamista ja empiirisesti rakennettuja teorioita. Ks. täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/lyijya-ja-painoja/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/edistys-ja-rappio/
Ajasta hieman täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaksi-tarinaa-ajasta/
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/ajan_kanssa
-
-
”Kaikkeuden epäinhimillinen kauneus.”
En ymmärrä, miksi on käytettävä adjektiivia epäinhimillinen? Tarkoittaako se eläimellistä, jumalallista, saatanallista vai vielä jotain muuta? Arkiajajttelulla voi selvittää periaatteessa kaiken, mutta ei mystiikalla!-
Aiheesta täällä: https://hoay.fi/wp-content/uploads/2020/03/kauneus-yksinkertaisuus-ja-symmetria-fysiikassa-1.pdf
-
Vastaa
Rakentava luovuus
Kirjoitin viime kuussa uudesta tiedelukutaidon peruskurssista, jossa kerrotaan muun muassa siitä, millainen rakenne tieteellisillä artikkeleilla on.
Fysiikan artikkeleissa on tyypillisesti ensin johdanto, jossa kerrotaan taustoja, käydään läpi aiempaa tutkimusta ja tiivistetään mitä artikkelissa tehdään. Joskus siinä myös esitetään tiivistelmä tuloksista. Seuraavaksi on varsinainen sisältö, eli teoreettiset laskut tai selitys siitä mitä havaintoja on tehty ja miten. Lopuksi tiivistetään keskeiset tulokset ja kommentoidaan avoimeksi jääneitä kysymyksiä. Ei ole tavatonta, että artikkelista luetaan vain johdanto ja johtopäätökset, kun halutaan saada pikainen käsitys siitä, mistä on kysymys.
Fyysikot oppivat tieteellisten artikkelien kirjoittamisen samalla tavalla kuin muunkin tutkimustyön: ei sääntöjä lukemalla tai metodeja erikseen opettelemalla, vaan tekemällä asioita käytännössä ja seuraamalla muiden esimerkkiä. Niinpä tutkijat eivät ajattele tutkimusartikkelien rakennetta rajoitteena, vaan ovat sisäistäneet sen ilmeiseltä tuntuvana parhaana ratkaisuna. Tällainen yhteisön normien omaksuminen on osa tutkijaksi kehittymistä väitöskirjatyössä.
Fysiikassa on omat, enimmäkseen kirjoittamattomat, sääntönsä siitä, millaista kieltä sopii käyttää. Tyypillisesti suositaan hillittyä ilmaisua, yksinkertaisia virkkeitä ja rajattua sanavarastoa. Eräs kuriositeetti on se, että itseensä viittaamista yksikössä (”sijoitan nyt yhtälön”) pidetään ylimielisenä. Sen sijaan kuninkaallista monikkoa (”sijoitamme nyt yhtälön”) pidetään neutraalina tapana kirjoittaa tekemisistään.
Fysiikan artikkelien avainsisältö ilmaistaan matemaattisesti: sanat sitovat yhtälöitä toisiinsa, selittävät miksi asioita lasketaan, ja tulkitsevat mitä tuloksista pitäisi ajatella. Tämä tarjoaa paljon mahdollisuuksia tyylittelyyn, ja artikkeleita on muodollisia ja vapaita, nokkelia ja eteenpäin voimalla puskevia. Matemaattista ilmaisua on monenlaista, mutta suurin osa fysiikan artikkeleista on matemaatikkojen näkökulmasta toivottoman epämääräisiä, niissä kun tehdään kaikenlaisia yksinkertaistuksia ja oletuksia ilman huolellista perustelua.
Joskus oikopolut tunnetaan tarkasti, joskus niitä ei tulla ajatelleeksi. Kun lukee tutkimuksia vuosikymmenten takaa, jolloin viitekehys oli hieman erilainen, huomaa miten riippuvaista fysiikan artikkeleiden sujuva ymmärtäminen on siitä, että asiat esitetään sopivassa muodossa ja tutulla tavalla.
Toisin kuin tuloksista kirjoittamiselle, tutkimuskohteiden valitsemiselle ei ole selkeitä sääntöjä, eikä ole ohjenuoraa, jonka seuraaminen aina veisi oikeiden vastausten luo. On tavallista, että artikkeleissa esitetään puolivalmiita ajatuksia ja ehdotellaan kaikenlaisia mahdollisuuksia. Yhteinen esitystapa auttaa ymmärtämään ehdotuksia, ja ideoiden arvo riippuu siitä, miten ne on asetettu tunnettuun viitekehykseen.
Suurin osa tutkimuksesta on huolellista matkaamista eteenpäin tunnetuin menetelmin. Joskus kehitetään uusia lähestymistapoja, ja avataan tuntemattomia reittejä, jotka aiempien karttojen tarkka tunteminen tekee mahdolliseksi. Toisinaan tulokset –sitten kun ne on tehty ymmärrettäviksi– tuntuvat ilmeisiltä, niin että ihmettelee, miksi tätä ei löydetty aiemmin, toisinaan taas hämmästelee, miten kukaan on tullut tuota ajatelleeksi.
Tällainen kurinalainen luovuus ei ole ainutlaatuista teoreettiselle fysiikalle. Esimerkiksi jotkut fiktion kirjoittajille tarkoitetut ohjeet ovat minusta olleet hyödyksi, eivät niinkään selvärakenteiselle tieteelliselle kirjoittamiselle, kuin sille miten käyttää tutkimuksen vapautta hedelmällisesti.
Vastaa
Ulos umpikujista
Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehteen Rihveli 2/2021 artikkelin Ulos umpikujista kvanttifysiikan kehityksestä ja epämääräisestä todellisuudesta. (Artikkeli on vapaasti luettavissa linkin takana.) Kerron muun muassa näin:
Pitkään monet pitivät kvanttimekaniikan taustalla olevan todellisuuden pohtimista tuhoon tuomittuna touhuna. Kuten fyysikoiden fyysikko Richard Feynman totesi vuonna 1964: ”Älä kysy itseltäsi, jos vain voit välttää sitä, ”Miten voi olla näin?”, koska menet hukkaan ja joudut umpikujaan, josta kukaan ei ole paennut. Kukaan ei tiedä miten voi olla näin.”
Onneksi kaikki eivät uskoneet varoituksia, ja kvanttimekaniikan ymmärtämisessä on 1980-luvulta lähtien edistytty paljon.
19 kommenttia “Ulos umpikujista”
-
”…emme tiedä miksi arki näyttää yksinkertaiselta.”
Tämä on hyvä kysymys. Arvelisin että vastaus löytyy enemmän aivojemme rakenteesta kuin fysiikasta. Aivomme ovat kehittyneet pitämään kantajansa hengissä luonnossa. Yksi niiden ominaisuuksista on että ne yksinkertaistavat aistihavaintoja aika paljon ennen kuin ne päätyvät tietoisuuteen. Tämä tapahtuu, koska tietoisuus on sarjamuotoinen prosessi, joka ylikuormittuisi jos tietoa tulisi enemmän. Yksinkertaistusprosessi on alitajuinen, joten emme pysty katsomaan tai muokkaamaan sitä kovin helposti.-
Totta, mutta tässä viittaan yksinkertaisuudella siihen, että maailma näyttää määrätyltä eikä kvanttimekaanisen epämääräiseltä.
-
Jotuni sanoo:
Eikö tuo selity sillä että arki ilmöt vuorovaikuttavat jatkuvasti. Jos satunnaisilmiötä mittaa jatkuvasti, se näyttäytyy odotusarvona? Niin tai näin, kvanttifysiikan vanha retoriikka on tuhoisaa: Jos vanha guru on käytännössä sanonut, että jos luulet ymmärtäväsi tätä, olet idiootti, niin uusi sukupolvi ei uskalla olla vastaan, vaikka ymmärtäisikin. Samasta syystä opettaja ei saa sanoa koetta vaikeaksi.
-
Jatkuva vuorovaikutus on keskeinen osa dekoherenssina tunnettua ilmiötä. Kuten artikkelissa kirjoitan, se selittää vain osan ongelmasta.
Hieman aiheesta myös täällä: http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/maarattyina_yhteen
Dekoherenssi ei selitä, miten tila romahtaa, eikä sitä, miksi vain klassiset tilat ovat niitä joita havaitaan, ei niiden sekoitusta, eli mikä on klassisilta näyttävien tilojen erikoispiirre, joka valikoi ne.
-
-
-
”Arvelisin että vastaus löytyy enemmän aivojemme rakenteesta kuin fysiikasta”
Ja aivojemme rakenneko ei olisi selitettävissä fysiikalla? Toki se ei (vielä) onnistu. Niinkuin ei ”onnistu” yleensäkään ”selittää” fysiikan kvanttimekaniikan epämääräisyyttä (koulukuntia toki on).
Evoluution luomat aivot ovat triviaali selitys käyttäytymisellemme. Emme tarvitse elossa pysyäksemme tietoa aivojen kvanttimekaniikasta (vaikka se siellä alla häärääkin).
-
-
Se miltä maailma näyttää riippuu myös siitä, mitkä hiukkaset tuon kuvan välittävät. Jos silmä käyttäisi havainnoimiseen elektroneja eikä fotoneja, niin maailma näyttäisi hyvin erilaiselta ja yksityiskohtaisemmalta. Fotonin aaallonpituus saa aikaan sen, että epämääräisyys aistimuksesta häviää.
-
Kvanttimekaanisen epämääräisyyden puute arjessa ei selity sillä, että havaitsemme fotonien avulla.
-
-
Onko epämääräisyyttä yritetty liittää systeemin massaan? Tuli vaan taas nojatuolissa mieleen, että jos kaksoisrakokokeissa interferenssi vaimenee sitä mukaan kun hiukkasen/molekyylin massa kasvaa, niin eikös se ole selvä merkki siitä, että mitä suurempi massa niin sitä vähemmän hiukkanen voi epälokalisoitua. Ja voisi myös olettaa, että kasvava sidosenergia ilmentää tätä asiaa: kun protoni ja elektroni lähestyvät toisiaan, niin systeemi muuttuu vähemmän ja vähemmän epämääräiseksi. Suurissa systeemeissä on paljon vuorovaikutusta ja sen mukanaan tuomaa sidosenergiaa eli käytännössä massaa.
-
Kyllä, tällaisia mahdollisuuksia muokata kvanttimekaniikkaa on tutkittu ja tutkitaan vieläkin. Olen kirjoittanut niistä hieman täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/koopenhaminan-takana/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kahden-ikkunan-nakoala/
-
Tuli mieleen sellanen kysymys, että jos de Broglie nappas Nobelin palkinnon yhdistämällä Planckin kvanttiteorian ja Einsteinin suppea suhteellisuusteorian, niin mikä voisi olla vastaava lisäoletus kvanttigravitaation perustaksi? De Broglie siis suttas yhteen E=hf, E~mv^2 ja v=kf, josta seuras kuuluisa kvanttiaallonpituus k=h/(mv). Näin nojatuolifyysikkona voisi olettaa, että jos kvanttigravitaatio on olemassa, niin jokin heuristinen perusyhtälö voidaan muodostaa jo olemassa olevien teorioiden avulla.
-
de Broglie ei varsinaisesti yhdistänyt kvanttifysiikkaa ja suppeaa suhteellisuusteoriaa, vaan käytti joitakin elementtejä kummastakin. Kvanttifysiikka ja suppea suhteellisuusteoria yhdistettiin vasta vuonna 1948 Tomonagan, Schwingein ja Feynmanin toimesta.
Erilaisia enemmän ja vähemmän heuristisia yhtälöitä kvanttigravitaatiolle on esitetty. Tunnetuin ja yksinkertaisin lienee Planckin skaala: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaymattomista-korpimaista-vihoviimeinen/
-
Eusa sanoo:
Planckin skaalahan ei ole invariantti fysikaalisesti. Esimerkiksi se mikä eräälle paikallisuudelle on Planckin pituus on toisessa liiketilassa olevalle eri mittainen. Pitäisi määrittää (Planckin) intervalli, jossa avaruusajan määrä saataisiin kvantitettua. Jaa, mutta meillähän on vakioitu kausaliteetin rajavauhti c – voisiko sillä olla jokin vaikka pariteettinen alirakenne?
-
Planckin skaalat ovat vain yhdistelmiä luonnonvakioita valonnopeus, Newtonin gravitaatiovakio ja Planckin vakio. On Planckin pituus, aika, energia, pinta-ala jne.. Erilaisissa kvanttigravitaatioteorioissa tai niiden hahmotelmissa ne esiintyvät eri yhteyksissä, tyypillisesti siten, että kvanttigravitaatioille ominaiset ilmiöt ovat merkittäviä kun jokin fysikaalinen suure on Planckin mittakaavaa. (Kvanttigravitaatioilmiöt voivat periaatteessa olla merkittäviä muulloinkin.)
Näissä teorioissa Planckin skaalalla on havaitsijasta riippumaton merkitys, samaan tapaan kuin hiukkastörmäyksissä on erilaisia suureita, jotka mittaavata törmäyksen energiaa, ja joilla on havaitsijasta riippumaton merkitys.
On kyllä myös rakennettu teorioita, joissa esimerkiksi Planckin pituus todella on sinällään sama kaikille havaitsijoille, kuten valon nopeus.
-
-
-
-
-
Kaksoisrakokoe on tehty jopa C60-fullereenilla. Eikö delokalisaatio tarkoita, että molekyylin on hajottava, jos se ei mene kokonaan yhden raon kautta ja sitten raon jälkeen palaset taas liittyvät yhteen? Minä en usko tähän vaan fullereenimolkyyli kulkee jommasta kummasta raosta, mutta saa ympäröivän vakuumin interferoimaan.
-
Isoin kappale, jolla kaksoisrakokoe on tehty, on molekyyli, jossa on 2000 atomia.
En tiedä mitä tarkoitat delokalisaatiolla. Kvanttimekaniikan mukaan maailma ei toimi kuvaamallasi tavalla.
Tämä riittäköön tästä. Muistettakoon, että blogin kommenttiosio ei ole paikka omien fysiikan ideoiden esittelemiseen.
-
-
avaako kvanttifysiikan energialait yhtään sitä sattumanvaraisuutta mistä nyt kirjotat?
-
En tiedä mitä tarkoitat ”kvanttifysiikan energialaeilla”, mutta tämä sattumanvaraisuus on kvanttimekaniikan lakien ytimessä.
-
-
Mikä on pienin mittakaava, jossa gravitaatio on kokeellisesti todennettu? Haen lähinnä sitä, että onko mahdollista, että gravitaatio on ”makrotason” voima, eikä se vaikuttaisi mittaluokassa, jossa kvanttifysiikan lait on huomioitava. Ja onko olemassa kokeellista mittausta, jossa samanaikaisesti on huomioitava sekä gravitaation että kvanttifysiikan ilmiöt?
-
Noin mikrometri.
Gravitaatio on aika-avaruuden geometrian ilmentymä, eli sitä on tiettävästi olemassa niin pitkälle kuin aika-avaruutta.
On mahdollista, että aika-avaruus on vain approksimaatio, ja hyvin pienillä etäisyyksillä on olemassa jonkin muunlainen rakenne (tällaisia ideoita on tutkittu paljon). Jos näin, näiden etäisyyksien täytyy olla hiukkaskiihdyttimissa luodattuja etäisyyksiä, noin 10^(-20) metriä, pienempiä.
Ainoa fysiikan alue, missä on yhdistetty kvanttifysiikkaa ja gravitaatiota siten, että on tehty ennusteita, joita havainnot ovat varmentaneet, on kosminen inflaatio. Siinä on kyse paljon lyhyemmistä etäisyyksistä, mutta ei ole varmaa onko inflaatio totta, vaikka se onkin onnistuneesti selittänyt ja ennustanut havaintoja.
Inflaatiosta, ks:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/muistinmenetykset-ennustusten-takana/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/potkut-ylospain/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kuin-putoava-kivi/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/eilispaivan-rohkeutta/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/jokin-sanoo-poks/
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/taivaallinen_ilmoitus
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/littean_maailman_selitys
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/syntymiskipuja
-
Vastaa
Taivas ei hohda pimeää
Kaikki näkemämme planeetat, tähdet, galaksit ja muut kappaleet koostuvat aineesta, eivät antiaineesta. Kun hiukkanen kohtaa antihiukkasensa, ne annihiloituvat eli muuttuvat toisiksi hiukkasiksi, usein fotoneiksi eli valoksi. Jos jotkut maailmankaikkeuden rakenteet koostuisivat protonien, neutronien ja elektronien sijaan niiden antihiukkasista, niin antiaineen ja tavallisen aineen rajalta näkyisi annihilaatiossa syntyvää korkeaenergistä säteilyä, mitä ei ole havaittu.
Syynä aineen ylivoimaan on se, että kaikki antiaine kului loppuun maailmankaikkeuden ensimmäisen kymmenen sekunnin aikana. Ainetta oli miljardisosan enemmän, ja näkemämme rakenteet koostuvat tuosta pienestä ylijäämästä –kosminen mikroaaltotausta taasen on enimmäkseen tuossa alkuaikojen annihilaatiossa syntynyttä valoa.
Näkymättömän aineen kohdalla tilanne voi olla toinen. Pimeäksi aineeksi on monenlaisia ehdokkaita, mutta pitkään suosituin oli WIMPpien (suomeksi siis nynnyjen) nimellä kulkevat hiukkaset.
Kuten näkyvä aine ja antiaine, varhaisessa maailmankaikkeudessa pimeä aine ja antiaine annihiloituvat. Kun maailmankaikkeus laajenee, aineen tiheys laskee. Jossain vaiheessa tiheys on niin pieni, että pimeän aineen hiukkaset eivät enää löydä toisiaan, ja annihilaatiot loppuvat. Tyypillisille nynnyille tämä tapahtuu noin sekunnin miljardisosan aikoihin.
Pimeän aineen hiukkasia ja antihiukkasia jää jäljelle yhtä monta, toisin kuin näkyvän aineen tapauksessa. Tämä johtuu siitä, että pimeä aine vuorovaikuttaa heikommin kuin näkyvä aine, eikä siksi annihiloidu yhtä tehokkaasti. Pimeää ainetta ei myöskään aluksi ollut enemmän kuin antiainetta. Mitä vahvemmin pimeä aine vuorovaikuttaa, sitä tehokkaammin se annihiloituu, ja sitä vähemmän nynnyjä on jäljellä.
Vaikka aineen keskitiheys laskee maailmankaikkeus laajetessa, joissain paikoissa tiheys kasvaa, koska gravitaatio vetää ainetta kasaan. Noin sadan miljoonan vuoden iässä tiheys kasvaa pienissä osissa avaruutta niin paljon, että näkyvän aineen ydinreaktiot käynnistyvät uudelleen, eli tähdet syttyvät. Vastaavasti klimppiytyminen tehostaa pimeän aineen annihilaatiota.
Annihilaatio tuottaa energiaa paljon tehokkaammin kuin ydinreaktiot, mutta toisaalta pimeä aine ei kasaudu yhtä tehokkaasti kuin näkyvä aine, ja se vuorovaikuttaa paljon heikommin. Niinpä vain pieni osa pimeän aineen hiukkasista ja antihiukkasista annihiloituu, eikä taivas hohda pimeän aineen valoa. (Muuten sitä tuskin sanottaisiinkaan pimeäksi aineeksi.) Pimeää ainetta etsitään siksi monin eri tavoin.
Havaintojen kannalta annihilaatiossa on kuitenkin se hyvä puoli, että kysymyksessä on sama ilmiö, joka määrää paljonko pimeän aineen hiukkasia on jäljellä. Jos tietää pimeän aineen hiukkasten lukumäärän, voi suoraan laskea annihilaation tehokkuuden ja siten kirkkauden taivaalla. Pimeän aineen gravitaatiovaikutuksesta voi puolestaan päätellä sen massatiheyden, eli hiukkasten lukumäärän kerrottuna yhden hiukkasen massalla jaettuna tilavuudella. Ainoa tuntematon tekijä on siis hiukkasen massa. Annihilaation tehokkuuteen vaikuttaa myös se miten paljon pimeä aine on klimppiytynyt – parhaita havaintokohteita ovat Linnunradan keskusta ja kääpiögalaksit, joissa pimeän aineen tiheys on iso.
Taivaalla onkin nähty ehkä odotettua enemmän valoataipositroneja (eli elektronien antihiukkasia). Koska avaruudesta tulee monenlaista säteilyä kaikenlaisista lähteistä, niin voi olla vaikea erottaa, ovatko hiukkaset peräisin pimeän aineen annihilaatiosta vaiko esimerkiksi pulsareista tai supernovien jäänteistä. Mutta jos sen sijaan nähdään vähemmän säteilyä kuin mitä pimeän aineen malli ennustaa, niin se on selvästi väärin
Tarkimmat rajat pimeän aineen annihilaatiolle on antanut vuonna 2008 kiertoradalle noussut Fermi-satelliitti. Se on vuosia mitannut avaruudesta saapuvia korkeaenergisiä fotoneja, ja pystyy sulkemaan pois monenmassaiset nynnyt – vähän riippuen siitä, mihin niiden oletetaan hajoavan. Kansainväliseen avaruusasemaan kiinnitetty hiukkasdetektori AMS-02 on osaltaan sulkenut pois sen mahdollisuuden, että kevyet nynnyt hajoaisivat tunnetuiksi sähköisesti varatuiksi hiukkasiksi, koska signaalia ei ole nähty.
Nynnyt voi pelastaa kehittämällä malleja, joissa pimeä aine hajoaa lähinnä hiukkasiksi, jotka ovat yhtä näkymättämiä kuin se itse (kuten neutriinoiksi tai joiksikin tuntemattomiksi hiukkasiksi). Toinen vaihtoehto on yksinkertaisesti tehdä pimeän aineen hiukkasesta raskaampi. Koska havainnot kiinnittävät massatiheyden, niin mitä isompi hiukkasten massa on, sitä pienempi on niiden lukumäärä, ja sitä vähemmän annihilaatioita tapahtuu.
Kumpikin muutos menee kuitenkin vastakarvaan nynnyjen alkuperäistä ideaa. Tarkoituksena oli, että pimeä aine vuorovaikuttaa hiukkasfysiikan heikon vuorovaikutuksen kautta, joten se hajoaa näkyväksi aineeksi, ja sen massa olisi samaa luokkaa heikkoa vuorovaikutusta välittävien W– ja Z-bosonien massan kanssa. Tällöin pimeän aineen massatiheys sattuisi sopimaan havaintoihin ilman säätämistä.
Yhdistettynä siihen, että myöskään maanpäällisissä kokeissa nynnyjä ei ole näkynyt vaikka olisi odottanut, taivaan pimeys tekee niistä yhä vähemmän houkuttelevia. Idea pimeästä aineesta sinällään voi hyvin, ja nynnyjen hohteen himmentyminen on siirtänyt huomiota muihin ehdokkaisiin, kuten steriileihin neutriinoihin, aksioneihin ja mustiin aukkoihin, joita vuorostaan ajetaan ahtaalle kunnes ne teilataan tai löydetään.
6 kommenttia “Taivas ei hohda pimeää”
-
Mielenkiintoinen kirjoitus. Pimeä aineen massan ylivoima näkyvään voi selittyä sillä, että se ei ole annihiloitunut ja sitä on myös antiaineen muodossa. Voiko pimälle aineelle olla baryoniluvun kaltainen suhde? Onko pimeälle aineelle välttämättä antihiukkasta?
-
Moniin pimeän aineen hiukkasiin liittyy jokin säilyvä luku. Näin on myös joidenkin suosittujen nynnyjen kohdalla. Tässä tapauksessa aina kun pimeän aineen hiukkanen syntyy tai tuhoutuu, samalla pitää syntya täi tuhoutua sen antihiukkanen. Tämä on yksi selitys sille, miksi pimeän aineen hiukkanen on stabiili.
Mutta toisin kuin baryonien tapauksessa, nynnyjä ei alun perin ole enemmän kuin antinynnyjä. (Tai vaikka olisi miljardisosan verran, sillä ei ole juuri merkitystä, koska antiainetta on jäänyt annihiloitumatta niin paljon.)
Muissa pimeän aineen malleissa asia voi olla toisin. Esimerkiksi tekniväriin liittyvät teknibaryonit ovat pimeän aineen ehdokas, jota olisi jäljellä vain hiukkasia, jotka ovat jääneet jäljelle antihiukkasten kuluttua loppuun, baryonien tapaan.
Toisaalta esimerkiksi steriilit neutriinot ovat (useimmissa malleissa) omia antihiukkasiaan, eli niiden kohdalla kysymys ei ole edes mielekäs.
-
-
Miquel sanoo:
Syntyikö alussa ainetta ja pimeää ainetta yhtä paljon? Jos näin, voisi ajatella, että pimeä aine vuorovaikuttaa antiaineensa kanssa 10 miljardia kertaa heikommin (10 sek vs. miljardisosa sekuntia) ja silti sitä jäi jäljelle 5 x niin paljon kuin ainetta. Eli vuorovaikutus olisi annihilaatiossa 1:50 000 000 000 näkyvän aineen annihilaatiosta (vuorovaikutuksesta). Vähän mutkat suoriksi peruskoulun matikalla. Tiedän, että tähän liittyy joku koukku. Toisaalta, kun on tehty niitä bullet-kuvia pimeästä aineesta, niin kaareuttaako se avaruutta enemmän kuin viereinen näkyvä aine? Vai onko se 5 kertaa kevyempää, vaikka sitä on 5 kertaa enemmän.
-
Oletettavasti näkyvä aine ja pimeä aine ovat molemmat syntyneet kosmisesta inflaatiosta vastuussa olevan kentän hajotessa. Ei ole mitään syytä, miksi niitä olisi syntynyt yhtä paljon.
Jäljellä olevan näkyvän aineen määrä ei määräydy sen vuorovaikutusten voimakkuudesta, kunhan ne vain ovat tarpeeksi voimakkaita, että lähes kaikki antiaine kuluu loppunu ja jäljelle jää vain pimeää ainetta. Oleellista on se, että näkyvään aineeseen liittyy säilyvä luku, baryoniluku, ja tämän takia on olemassa enemmän ainetta kuin antiainetta. (Tarkemmin täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/muistinmenetykset-ennustusten-takana/)
Jos näkyvää ainetta ja antiainetta olisi aluksi yhtä paljon, ainetta jäisi jäljelle noin miljardiososa siitä mitä sitä oikeasti on. (Ja antiainetta saman verran.)
Pimeä aine kaareuttaa aika-avaruutta saman verran per massatiheys kuin näkyväkin. Se kaareuttaa enemmön sellaisissa alueissa, missä sen massatiheys on isompi. (Käytännössä kaikkialla galaksien reunoilla ja galakseja isommassa mittakaavassa.)
Bullet Clusterista tarkemmin: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/
-
-
”Yhdistettynä siihen, että myöskään maanpäällisissä kokeissa nynnyjä ei ole näkynyt vaikka olisi odottanut, taivaan pimeys tekee niistä yhä vähemmän houkuttelevia. Idea pimeästä aineesta sinällään voi hyvin, ja nynnyjen hohteen himmentyminen on siirtänyt huomiota muihin ehdokkaisiin, kuten steriileihin neutriinoihin, aksioneihin ja mustiin aukkoihin, joita vuorostaan ajetaan ahtaalle kunnes ne teilataan tai löydetään.”
Kun ”nynnyjen hohde on himmentynyt” niin tuolla aiemmin kolmisen vuotta sitten olleessa kirjoituksessasi käsiteltiin myös FIMPejä, siis Feebly Interacting Massive Partikkeleja. Onko näiden osalta mitään lisäkerrottavaa? Esim tuolloin esitit että vuorovaikutus on niin heikko että senaikuiset kokeet eivät pysty niitä havaitseman. Entä tänään? Eli onko kokeiden ”haarukka” mahdollisesti tarkentunut?
-
Käsittääkseni FIMPpien tilanne ei ole juuri muuttunut. Mahdollisuudet niiden havaitsemiseen riippuvat siitä, millainen FIMP tarkalleen ottaen on, ja ovat enimmäkseen kosmologisia. Termiä on kyllä käytetty myös steriileistä neutriinoista, joiden havaitsemista olenkin täällä joskus kirjoittanut: yksi mahdollisuus on hajoamisesta tulevat röntgensäteet. Toisaalta FIMPit saattaaat jättää jäljen kosmiseen mikroaaltotaustaan.
En tiedä, onko tulossa mitään uusia kokeita, joiden tarkkuus olisi tässä suhteessa ratkaisevasti aiempaa parempi – ensi vuonna taivaalle nouseva Euclid-satelliitti mittaa toki monia kosmologisia asioista paremmin, mutta en tiedä mitä sanottavaa sillä on FIMPeistä.
-
Vastaa
Lukutaidon perusteet
Helsingin yliopisto, kehittämiskeskus Opinkirjo ja Kauniaisten kaupunki ovat tuottaneet nettiin avoimen tiedelukutaidon peruskurssin. Tiedotteen mukaan kurssi ”on suunnattu ennen kaikkea lukiolaisille, mutta sopii myös niin tavallisille kansalaisille kuin päättäjillekin”.
Tieteellinen tutkimus on laaja kenttä, joten yritykset kirjoittaa siitä kattavasti ovat helposti joko niin yleisluontoisia, että niistä ei saa paljon irti, tai sitten yksityiskohdiltaan joidenkin alojen kohdalla pielessä. Kurssi tasapainottelee sekä kuvaamalla tieteen yleisiä käytäntöjä että kertomalla yksittäisistä tapauksista, esimerkiksi revontulien tutkimuksesta.
Tämä toimii enimmäkseen hyvin, vaikka osa kuvailusta tuntuu pohjaavan enemmän teoreettisiin ideoihin tieteestä kuin siihen, miten tiedettä oikeasti tehdään. Esimerkiksi tieteellisestä kirjoittamisesta kerrotaan seuraavaa:
”Tutkimusraportin rakennetta on perinteisesti kuvattu neljällä kirjaimella: IMRD. Lyhenne tulee sanoista Introduction (johdanto), Methods (menetelmät), Results (tulokset), Discussion (pohdinta). Malli sopii parhaiten kuvaamaan kliinistä ja määrällistä tutkimusta, joka on tyypillistä esimerkiksi luonnontieteissä.”
Mielestäni tällainen menetelmiä korostava rakenne on päin vastoin leimallinen ihmis- ja yhteiskuntatieteille. Fysiikan artikkeleissa johdannon jälkeen tyypillisesti vain kerrotaan mitä on tehty, eikä metodeilla ylipäänsä ole samanlaista erityistä roolia kuin ihmistieteissä. Matematiikan artikkeleissa taasen ei yleensä ole sen enempää selityksiä metodeista kuin lopun pohdintaakaan.
Se, että tällaiset tekstit tuntuvat tutkijalle vieraalta johtunee osittain siitä, että niissä kuvaillaan tieteilijän työtä ulkoapäin, kun taas tutkijana sitä katsoo sisältäpäin ja vain pienestä osasta tutkimuksen kenttää. Tätä paikataan kurssilla tutkijoiden omilla teksteillä sekä haastatteluilla. Minulta on mukana kommentteja tutkijalle hyödyllisistä taidoista. Tämä huomio tuntuu tarpeelliselta muillekin:
”Tarvitaan myös sen sietämistä, että aloittaessaan tutkimusta ei tiedä, mihin päätyy ja kuinka kauan kestää saavuttaa tuloksia.”
Viime viikolla avaruusfyysikko Minna Palmroth puhui siitä, miten hän oli löytänyt ja selittänyt revontulidyynejä yhdessä ”kansalaistieteilijöiden” kanssa. (Sana ”kansalaistieteilijä” tarkoittaa henkilöä, joka ei ole tieteilijä, mutta osallistuu tieteen tekemiseen.) Palmroth kertoi, miten taivasta tarkkaan kuvaavien ei-tieteilijöiden havaintoverkosto oli oleellinen tutkimuksen tekemisessä, mutta sen koordinoiminen oli raastavaa, koska tutkimukseen tottumattomilla osallistujilla oli epärealistisia odotuksia. He olivat kovin innoissaan kun jotain löytyi, turhan kärsimättömiä kun tuloksia ei tullutkaan heti lisää, ja aivan lannistuneita kun jokin idea ei osoittautunutkaan oikeaksi.
Tieteen tenhoon mukaan hyppäävien ihmisten kohdalla tällaista vuoristorataa sopii odottaakin. Haitallisempaa on se, että tiedepoliittisia päätöksiä muokkaavilla virkailijoilla ja tieteestä käytävää keskustelua määrittävillä toimittajilla on vakavia puutteita tieteen ymmärtämisessä.
On tullut tavaksi verhota tietämättömyys tieteestä ja vihamielisyys tutkimuksen vapautta kohtaan vaatimuksiin ”vaikuttavuudesta”. Opetus- ja kulttuuriministeriön korkeakoulu- ja tiedepolitiikan osaston päällikkö Atte Jääskeläinen on esimerkiksi esittänyt, että tutkimuksen rahoitusta lisätään vasta sitten, kun tutkijoiden työ tehostuu ja he osoittavat sillä olevan ”vaikuttavuutta”. Käsite on epämääräinen, ja Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta on käsittänyt asian niin, että ”vaikuttavuutta” lisätään kehottamalla tutkijat käyttämään aikaansa ilmaisen työn tekemiseen kaupalliselle lehdelle.
Koska tieteessä kartoitetaan uusia alueita, on monesti mahdotonta arvioida, mihin tutkimus johtaa ja mitä siitä seuraa. Vaatimukset tieteen arvon osoittamisesta ovat sikäli hämmentäviä, että tiede on ihmiskunnan kehitystä viime vuosisatojen aikana eniten muuttanut tekijä, ja sen vaikutus on mittaamaton. Miten todistaa, että Aurinko on kirkas? Esimerkiksi kvanttimekaniikan löytäminen kumpusi ongelmista, jotka olivat aikanaan hyödyttömiä (eli ”akateemisia”), mutta siitä on muodostunut lähes kaiken nykyteknologian pohja. Lisäksi on syytä korostaa, että monilla tutkimustuloksilla on itseisarvoa, ei vain välinearvoa.
Valitettavasti edellä mainitun korkea-arvoisen OKM:n virkailijan lisäksi tietämättömyys tieteestä vaivaa joitakin tiedettä kommentoivia suomalaisia toimittajia. Toimittajat ovat ottaneet tavaksi arvostella yksittäisiä tutkimushankkeita, rahoituspäätöksiä tai jopa kokonaisia tutkimusaloja virheellisten tietojen, keksittyjen väitteiden tai vaikkapa vain hankkeen nimen perusteella.
Kohteet on usein valittu poliittisin perustein ihmistieteiden puolelta, ja hyökkäykset tiedettä kohtaan esitetään tieteen puolustamisena: eikö olisi parempi rahoittaa hyödyllistä tutkimusta hyödyttömän sijaan? Väitteissä ei kuitenkaan ole kyse niinkään yksittäisten kohteiden arvostelusta kuin tieteen autonomian ja vertaisarvioinnin kyseenalaistamisesta. Tämä on osa poliittista virtausta, joka pyrkii lyhytnäköisesti valjastamaan tieteen yritysten palvelijaksi ja alistamaan tieteellisen yhteisön tiukemmin vallanpitäjien ohjaukseen.
Tiederahoituksessa on tietysti arvostelemista, kuten olen sekä hakijan että arvioijan näkökulmasta kirjoittanut. On myös totta, että koko ajan tehdään myös huonoa tutkimusta, ja monilla tieteenaloilla on vääristymiä ja ongelmia. (Hiukkaskosmologia ei ole poikkeus.) Mutta mielekäs keskustelu niistä edellyttää kyseisten tieteenalojen tuntemista. Esimerkiksi kosmologian tutkimushankkeiden rahoituspäätösten mielekäs arviointi vaatii vuosien perehtymistä. Päätökset tutkimuksen rahoittamisesta ja julkaisemisesta sekä tutkijoiden palkkaamisesta (tai suositukset päätöksille) tekevät toiset tutkijat siksi, että vain heillä on siihen tarvittava asiantuntemus.
Kun toimittaja toteaa, että se tosiseikka, että rahoituspäätösten perusteita ei voi ymmärtää ilman mittavaa perehtymistä ei ole este sille, että asiaan perehtymätön ihminen arvioi niitä, on kyseessä kiinnostava esimerkki tieteellisen lukutaidon puutteesta.
Osittain toimittajien ongelma voi liittyä journalismin ja tieteen eroihin. Toimittajien kulttuurissa on tavallista julkaista vakavia, perättömiä ja virheellisiä väitteitä –tieteestä tai muista aiheista– ilman että se vaikuttaa kirjoittajan asemaan negatiivisesti. Lisäksi muita toimittajia pidetään oman sisäryhmän jäseninä, joiden julkista arvostelua vältetään.
Tältä pohjalta voi olla vaikea ymmärtää, että tiedeyhteisö hakeutuu kohti totuutta keskinäisen kritiikin ja vertaisarvioinnin kautta. Jos tieteilijä jää kiinni perättömien väitteiden julkaisemisesta, hän menettää uskottavuutensa tiedeyhteisössä. Lisäksi toisten tutkijoiden arvosteleminen ja heidän arvostelunsa kohteena oleminen on keskeinen osa tutkijan työtä. Arvostelu ei ole hajottavaa ”kivien heittämistä” (kuten toimittajat saattavat toistensa julkista arvostelemista soimata), vaan rakentava osa virheiden korjaamista, koska se perustuu asioiden tuntemiseen ja faktojen korjaamiseen.
Vaikka osa tiedevastaisuudesta on poliittisesti tarkoitushakuista, mukana on myös aitoa ajattelemattomuutta ja vilpitöntä tietämättömyyttä, mihin kurssi tiedelukutaidon perusteista voi auttaa.
3 kommenttia “Lukutaidon perusteet”
-
Aulis Tuohimäki sanoo:
Loistava artikkeli.
Minäkin luin tämän kahteen kertaan ja ihailin tekstin selkeyttä helppolukuisuutta.
Kiitos! -
Lisäisin tuohon IMRD-lyhenteeseen yhden kirjaimen C eli Conclusions. Siinä tutkijan tulisi pohtia, mikä oli tehdyn tutkimuksen arvo ja hyöty ja kannattaako tiukasti samalla linjalla jatkaa ja jos ei,niin mihin suunnata.
Eli lyhyesti sanottuna sijoittaa työnsä osaksi laajempaa kokonaisuutta.-
Johtopäätökset ovat osa Discussion-osuutta.
-
Kyllä JWST itse asiassa havaitsee myös näkyvää valoa, ei vain niin laajalta kaistalta kuin Hubble. Lyhyimmät aallonpituudet jäävät näkemättä ja JWST havaitsee aallonpituudet 600 nanometristä 28,3 mikrometriin.
Joo. Ja Hubble näkee myös infrapunaa, vaikka sen painopiste onkin näkyvässä valossa.
Yksi asia ihmetyttää koskien JWST-teleskoopin sijoituspaikkaa. Aurinkotuulihan aiheuttaa Maan magneettikenttään ”hännän” joka ulottuu kauas Maan kiertoradan ulkopuolelle täsmälleen siihen suuntaan johon teleskooppi sijoitetaan. Jos teleskooppi osuu tähän heiluvaan magneettikentän häntään, siitä voisi seurata melkoisia sähkömagneettisia häiriöitä. Onko siis niin ettei magneettikentän häntä ulotu noin kauas missään olosuhteissa?
Paikka on valittu siksi, että kyseessä on Lagrange-piste L2, joten rata on stabiili rataliikkeen suuntaisille häiriöille, ja Maa, Kuu ja Aurinko ovat kaikki samassa suunnassa, eli ne on helppo pitää poissa näkökentästä. Myös WMAP- ja Planck-satelliitit olivat L2:ssa (tai sen lähettyvillä), ja Euclidkin menee sinne.
Hyvä tuo aurinkotuulikysymys, siihen en osaa vastata – en tunne Maan magneettikentän muotoa ja vaikutusta varattujen hiukkasten liikkeisiin L2:n tienoilla, joka on aika kaukana Maasta.
Kysymys tuli mieleen yhdestä Juno-dokumentista. Jupiterillahan on erittäin voimakas magneettikenttä ja dokumentin mukaan kentän ”häntä” ulottuu jopa Saturnuksen radalle asti yli 650 miljoonan kilometrin päähän.
Mitä Lagrangen pisteisiin tulee, L1 ja L3 eivät tietenkään käy koska ne ovat täsmälleen Auringon suunnassa (L1 Auringon edessä, L3 sen takana). L4 ja L5 voisivat olla parempia. Toki jos muut satelliitit ovat selvinneet L2:ssa, ongelmaa ei silloin ilmeisesti ole.
Olisko tossa vastausta:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/how-hardy-is-webb-a-qa-about-the-toughness-of-nasa-s-webb-telescope
Q: Webb’s orbit at Earth’s second Lagrange point (L2) is beyond the protective sheath of Earth’s magnetic field, meaning the telescope is more susceptible to the Sun’s radiation and to solar flares. How is Webb insulated from these threats?
Paul: Earth’s magnetic field acts like a deflector shield for protons and electrons spewing all the time from the Sun. Protection for satellites within Earth’s magnetic field includes putting some metal—like aluminum panels—between electronics and the space environment, implementing good electrical grounding, and making electronic components resistant to radiation. Because Webb is outside Earth’s magnetic field, it will be bombarded by charged particles streaming from the Sun, and so it needs extra protection. These charged particles are hard on electronics, and they can accumulate on surfaces to build up static charge that can cause damaging discharges.
Webb will also be vulnerable to the occasional massive “belch” from the Sun that happens with solar flares and coronal mass ejections, which are phenomena in which the Sun releases slugs of maybe a few years’ worth of protons and electrons in just hours. To enable Webb to weather such stormy solar weather as well as ordinary “nice days,” almost all of its electronics are shielded inside metal boxes and behind multiple layers of metal or metal-coated film.
The electronics on the cold side of Webb’s sunshield get some benefit of being behind the shield’s five layers, which are coated in aluminum. The electronics inside the spacecraft bus, which faces the Sun, are hardened, shielded, and grounded. Webb used tried and true design practices and satellite building codes to ensure it will survive and function in the harshness of the L2 environment.
Vielä lisäys tähän Maan magneettikentän häntäkeskusteluun. Katsoin erästä JWST-animaatiota siitä, miten JWST liikkuu lopullisessa sijoituspaikassaan. Sehän ei ole ”paikallaan”, vaan ikäänkuin kiertää ”pystysuunnassa” ympyrää sen pisteen ympäri, joka on täsmälleen Maa-Aurinko-linjan suunnassa. Näin JWST ei koskaan sijaitse täsmälleen sillä linjalla, jossa magneettisia häiriöitä voisi esiintyä.
Kuka omistaa JWST:n tuottaman datan? Onko sen omistaja NASA, tutkimusryhmät tai onko data avointa? Ylipäätänsä onko teleskooppien keräämä dataa kerätty yhteen tietokantaan tai onko se ns jokaisen tutkijan kovalevyllä? Ilmeisesti kokeellisessa fysiikassa tutkimusdataa joskus piilotellaan mustasukkaisesti, eikä haluta luovuttaa edes vertaisarviointia varten.
Käytännöt vaihtelevat, mutta tyypillisesti NASAn ja ESAn (joka on JWST:ssä mukana) kokeissa koeryhmän täytyy antaa data julkisesti saatavilla tietyn ajan kuluessa.
Koeryhmä tekee ensin oman analyysinsä datasta, ja julkaisee sitten siitä erilaisia datatuotteita. Riippuu datan määrästä, julkaistaanko raakadataa ollenkaan (koska sitä voi olla niin paljon, että sitä ei kuitenkaan voi verkon yli siirtää), mutta sekin lienee periaatteessa saatavissa. Aniharva ryhmän ulkopuolinen tosin raakadataa tarvitsee.
Netissä liikkuu huhuja, että NASA suunnittelisi JWST:n ”robottitankkaamista” ennenkuin 10 vuoden kuluessaa, jotta toiminta voisi jatkua. Mitä tiedätte tästä?
En tiedä siitä mitään.
Jänniä hetkiä. Tarkoitus on löytää jälkiä myös alkukantaisista mustista aukoista, jotka ovat yksi selitys pimeälle aineelle.
JWST:hän on yleislaite, joka tutkii monia asioita, mutta mitä havaintojälkiä tässä tarkoitat?
JWST:n kymmenen miljardin hinta ei ole kova, koska Suomellakin oli yksinään vara allokoida sama määrä rahaa F-35-hävittäjiin. JWST oletettavasti antaa hyödyllistä dataa, mitä ei voi sanoa pimeän aineen hiukkasia metsäsätävistä ksenonpöntöistä, vaikka niihin kerättäissin kaiken maailman ksenon.
JWST on yleislaite, joka varmasti tekee kiinnostavia mittauksia, pimeää ainetta suoraan etsivät kokeet ovat erikoistuneet yhden mahdollisen signaalin etsimiseen. (Vaikka ne voivat toki löytää jotain yllättävää – esimerkkinä se, miten protonin hajoamista löytämään rakennettu SuperKamiokande löysi sen, että neutriinoilla on massat.)
Vertailussa on myös syytä ottaa huomioon, että pimeän aineen suoran havaitsemisen kokeet maksavat noin tuhannesosan tai alle JWST:n hinnasta.