Arkisto
- maaliskuu 2023
- helmikuu 2023
- tammikuu 2023
- marraskuu 2022
- lokakuu 2022
- syyskuu 2022
- elokuu 2022
- kesäkuu 2022
- toukokuu 2022
- huhtikuu 2022
- maaliskuu 2022
- helmikuu 2022
- tammikuu 2022
- joulukuu 2021
- marraskuu 2021
- lokakuu 2021
- syyskuu 2021
- elokuu 2021
- kesäkuu 2021
- toukokuu 2021
- huhtikuu 2021
- maaliskuu 2021
- helmikuu 2021
- tammikuu 2021
- joulukuu 2020
- marraskuu 2020
- lokakuu 2020
- syyskuu 2020
- elokuu 2020
- kesäkuu 2020
- toukokuu 2020
- huhtikuu 2020
- maaliskuu 2020
- helmikuu 2020
- tammikuu 2020
- joulukuu 2019
- marraskuu 2019
- lokakuu 2019
- syyskuu 2019
- elokuu 2019
- heinäkuu 2019
- kesäkuu 2019
- toukokuu 2019
- huhtikuu 2019
- maaliskuu 2019
- helmikuu 2019
- tammikuu 2019
- joulukuu 2018
- marraskuu 2018
- lokakuu 2018
- syyskuu 2018
- elokuu 2018
- kesäkuu 2018
- toukokuu 2018
- 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
Tuulien kääntymistä
Hiukkasfysiikan Standardimalli on yksi ihmiskunnan suuria saavutuksia. Se kuvaa kaikkia tunnettuja hiukkasia ja vuorovaikutuksia gravitaatiota lukuun ottamatta. Standardimalli on ennustanut yli neljän vuosikymmenen ajan oikein kaikkien hiukkaskiihdyttimissä tehtyjen kokeiden tulokset, jotkut miljardisosan tarkkuudella.
Kokeellisen menestyksen taustalla on hienostunut teoreettinen rakenne nimeltä kvanttikenttäteoria, joka yhdistää kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian. Ensimmäinen Standardimallin osa, sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvaava kvanttielektrodynamiikka, löydettiin 1948. Se selitti ja ennusti tarkasti vetyatomin rakenteen ja muita ilmiöitä. Vuonna 1954 kuitenkin Aleksei Abrikosov, Isaak Khalatnikov ja Lev Landau osoittivat, että sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuus kasvaa energian myötä ja muuttuu lopulta äärettömäksi, mikä on matemaattisesti ristiriitaista.
Monet päättelivät tästä, että kvanttikenttäteoriassa on jotain perustanlaatuista vikaa ja hiukkasfysiikassa pitää suunnata muille reiteille. Kaksi tapahtumaa vaikutti merkittävästi siihen, että kvanttikenttäteoria palasi suosioon ja Standardimallista tuli standardi.
Yksi läpimurto tuli vuonna 1973 Standardimallin toisesta osasta. Silloin osoitettiin, että värivuorovaikutusta kuvaavassa kvanttikromodynamiikassa voimakkuus pienenee energian myötä. Tämä osoitti, että kaikilla kvanttikenttäteorioilla ei ole Landaun ja kumpp. löytämää ongelmaa.
Toinen mullistava tulos oli saatu kahta vuotta aiemmin, kun jatko-opiskelija Gerardus ‘t Hooft ja hänen väitöskirjaohjaajansa Martinus J. G. Veltman osoittivat, että Standardimallissa hiukkasilla on vain äärellinen määrä tapoja vuorovaikuttaa keskenään.
Kvanttikenttäteorioissa kvanttifysiikan vuorovaikutusten kokonaisuus on hyvin monimutkainen. Siksi kvanttikenttäteorioita rakennetaan lähtemällä teoriasta, jossa ei ole mukana kvanttifysiikkaa, ja kvanttiefektejä otetaan mukaan pala kerrallaan. Kvanttiefektit voivat joka askeleella tuoda teoriaan uusia vuorovaikutuksia, joita ei alun perin ollut mukana. (Murray Gell-Man nimesi tämän totalitaristiseksi periaatteeksi: kaikki mikä ei ole kiellettyä on pakollista.)
Asiaa voi havainnollistaa vertaamalla Isaac Newtonin gravitaatioteoriaan, missä kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Jos kyseessä olisi kvanttikenttäteoria, kvanttiefektit toisivat gravitaatiovoimaan mukaan osia, jotka heikkenevät nopeammin etäisyyden kasvaessa: kuten etäisyyden kolmas potenssi, neljäs potenssi, ja niin edespäin.
Suurimmassa osassa kvanttikenttäteorioita on niissäkin äärettömän monta erilaista vuorovaikutusta, eikä teoriasta voi laskea, miten voimakkaita ne ovat. Niinpä oikeastaan mitään ei voi ennustaa, koska on äärettömän monta numeroa, joita sovittaa havaintoihin.
Joidenkin poikkeuksellisten kvanttikenttäteorioiden rakenne kuitenkin sallii vain äärellisen (ja yleensä pienen) määrän erilaisia vuorovaikutuksia. ’t Hooft ja Veltman osoittivat, että Standardimalli on tällainen teoria. Tämä oli mullistava tulos: se osoitti, että Standardimalli on vakaalla pohjalla ja sen ennustuksiin voi luottaa. Standardimallista tuli hiukkasfysiikan vuorenhuippu, ja ’t Hooftille ja Veltmanille myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1999.
Tuloksen merkitystä kuvaa se, että se palkittiin Nobelilla, vaikka ’t Hooft ja Veltman eivät ennustaneet eivätkä löytäneet mitään, vaikka palkinnon lehdistötiedotteessa Standardimalliin liittyviä kokeita korostetaankin. Yleensä fysiikan Nobeleita annetaan vain kokeellisesti varmistetuista löydöistä.
Vuosikymmenien varrella suhtautuminen ’t Hooftin ja Veltmanin tulokseen on kuitenkin muuttunut. Eräs hiukkasfysiikan kärkihahmona pidetty teoreetikko on peräti sanonut, että sillä ei ole mitään merkitystä.
Syynä on se, että Standardimalliin ja muihin hiukkasfysiikan teorioihin on ruvettu suhtautumaan vain approksimaatioina, joiden pätevyysalue on rajallinen. Tällöin ei haittaa, vaikka teoriasta ei voi tehdä tarkkoja ennustuksia tai se ei ole ristiriidaton, kunhan siitä voi ennustaa jotain, vaikka vähemmän perustellusti. Tämä lähestymistapa tunnetaan nimellä efektiivinen kenttäteoria, missä ensimmäinen sana viittaa siihen, että teoria toimii vain rajatulla alueella.
Palataan vertaukseen, missä kvanttiefektit lisäisivät Newtonin gravitaatiovoimaan osia, jotka riippuvat eri tavalla etäisyydestä. Jos teoria käyttäytyy kuten Standardimalli, erilaisia osia on vain pieni määrä. Jos se käyttäytyy kuten efektiivinen kenttäteoria, voiman osia on äärettömästi, mutta ne joiden voimakkuus laskee nopeasti etäisyyden kasvaessa voi sivuuttaa kun kappaleet ovat tarpeeksi kaukana toisistaan. Teoria siis pätee isoilla etäisyyksillä, kunhan nopeasti heikkenevät osat ovat tarpeeksi pieniä eikä lasketa liian tarkasti.
Samalla kun ’t Hooftin ja Veltmanin tuloksen arvostus on laskenut, heidän sen todistamisessa käyttämänsä renormalisaationa tunnetun menetelmän merkitys on noussut yhdessä efektiivisen kenttäteorian myötä. Renormalisaatiossa lasketaan miten pienen mittakaavan ilmiöt vaikuttavat isomman mittakaavan tapahtumiin. Renormalisaatiota käytettiin hiukkasfysiikassa jo ennen ’t Hooftin ja Veltmanin työtä, ja nykyään se on osana efektiivistä kenttäteoriaa keskeinen työkalu fysiikan eri aloilla, kuten kiinteän olomuodon fysiikassa (vaikkapa puolijohteiden ymmärtämisessä) tai sen tutkimisessa, millaisia rakenteita galaksit muodostavat.
Toisaalta Standardimallin suhteen tuuli on taas kääntymässä. Vastoin odotuksia hiukkaskiihdytin LHC ei olekaan löytänyt uutta fysiikkaa, vaan on sen sijaan jatkanut Standardimallin ennusteiden varmentamista. Tämä on saanut jotkut tutkijat ottamaan Standardimallin entistä vakavammin. Teoriat joissa hiukkasilla on vain äärellinen määrä tapoja vuorovaikuttaa ovat hyvin poikkeuksellisia. Onko sittenkään sattumaa, että Standardimalli, joka kuvaa havaintoja odotettua paljon paremmin, on tällainen teoria? Asiasta ei ole selvyyttä, ja voi olla että Standardimallin ymmärtämisessä on edessä vielä uusi läpimurto.
30 kommenttia “Tuulien kääntymistä”
Vastaa
Naulavuoteella kävelemistä
Vuoden lopulla Helsingin yliopiston fysiikan osasto pyytää tutkijoita kirjoittamaan ymmärrettävän tiivistelmän jostakin vuoden aikana julkaistusta tuloksesta, joita se sitten nostaa sivuilleen. Viime vuonna poimin esimerkiksi työmme mustien aukkojen parissa (löytyy otsikon ”Quantum kicks have a big effect on abundance of Eros-mass black holes” alta), josta olen kirjoittanut täällä blogissakin. Tänä vuonna valitsin Sofie Marie Koksbangin ja minun artikkelin siitä, miten pimeän aineen hiukkasluonne vaikuttaa valon kulkuun.
Suurin osa päätelmistämme maailmankaikkeudesta perustuu valoon. Laskettaessa ennusteita sille, miltä maailmankaikkeus näyttää, yleensä oletetaan, että valo kulkee suorinta reittiä aika-avaruudessa. Jotta tämä pitäisi paikkansa, valon aallonpituuden pitää olla paljon pienempi kuin aika-avaruuden kaarevuuteen liittyvät etäisyydet, muuten valo poikkeaa suoralta polulta.
Aika-avaruutta voi ajatella maastona, jonka korkeus kuvaa aika-avaruuden kaarevuutta. Valon aallonpituutta voi verrata kävelijän askelpituuteen. Jos askel on paljon pienempi kuin etäisyys, millä maasto kaartuu, niin matkaaja kulkee kuin tasaisella maalla, vaikka hiljakseen menisikin ylös tai alas, ja kävely sujuu samaan tapaan kaikkialla. Jos maasto sen sijaan kaartuu askelkokoon verrattavassa tai pienemmässä mittakaavassa, sen muoto vaikuttaa siihen miten siinä liikkuu.
Valon tapauksessa asiaa voi katsoa myös energian kautta. Mitä pienempi valohiukkasen eli fotonin aallonpituus on, sitä korkeampi sen energia on. Kun fotonin energia on tarpeeksi iso, aika-avaruuden paikalliset vaihtelut eivät vaikuta siihen, vaan se pyyhältää niiden läpi muuttumatta.
Aika-avaruuden kaarevuus riippuu aineen tiheydestä. Mitä tiukemmin massa on pakkautunut, sitä isompi on kaarevuus. Tähtitieteellisten kappaleiden kuten tähtien ja galaksien aiheuttama kaarevuus on mitättömän pieni verrattuna kosmologiassa havaittavan valon energiaan.
Mutta valtaosa maailmankaikkeuden aineesta on (luultavasti) pimeää ainetta. Suurimmassa osassa pimeän aineen malleista se koostuu yksittäisistä hiukkasista. Vaikka hiukkasen massa on paljon pienempi kuin tähden, se on pakkautunut hyvin pieneen tilaan, joten tiheys ja siksi myös kaarevuus voi olla iso.
Vaikuttaako tämä kaarevuus valon kulkuun? Selvittääksemme asiaa Sofie ja minä kehitimme uudenlaisen tavan kuvata valon matkaamista, jossa kaarevuus otetaan huomioon.
Osoittautui, että kun fotoni kulkee pimeän aineen hiukkasen läpi, pimeän aineen hiukkasen aiheuttama kaarevuus antaa fotonille massan, joka on sitä isompi mitä suurempi kaarevuus on. Tämä muistuttaa sitä, miten Higgsin kenttä antaa massan hiukkasille kun ne matkaavat sen läpi. Higgsin kentän tapauksessa tosin on kyse hiukkasfysiikan vuorovaikutuksista, tässä gravitaatiosta. Toisekseen Higgsin kenttä on kaikkialla, kun taas pimeän aineen hiukkasia on harvassa.
Pimeän aineen hiukkasten tyypillinen etäisyys toisistaan on noin metri tai pidempi, hiukkasten massasta riippuen. Käsittelyssämme yhden hiukkasen massa on jakautunut alueelle, joka on hiukkasfysiikan suuruusluokkaa. Aika-avaruuden kaarevuuden maasto koostuu siis toisistaan kaukana olevista kapeista huipuista.
Jos valon energia on iso eli aallonpituus pieni, huiput eivät vaikuta sen kulkuun. Jos valon energia on pienempi kuin kaarevuuden antamaan massaan liittyvä energia, valo ei voi kulkea pimeän aineen hiukkasten läpi, koska sillä ei ole tarpeeksi energiaa jotta pääsisi pimeän aineen sisälle. Samasta syystä arkisessa ympäristössämme näkyvä valo ei pääse sisälle metalleihin. Matkatessaan niissä valo saisi massan, joka on isompi kuin fotonin energia. Jos valon energia tarpeeksi korkea, kuten röntgensäteillä, se kulkee metallienkin läpi.
Huomasimme, että tärkeää on myös se, miten nopeasti kaarevuus muuttuu. Koska hiukkaset ovat pieniä, niiden läpi mentäessä kaarevuus vaihtuu nopeasti. Saimme tulokseksi, että jos pimeän aineen hiukkasen massa on yli 10% protonin massasta, kaarevuuden nopea vaihtuminen muuttaa täysin sen, miltä kosminen mikroaaltotausta näyttää: naulojen jäljet näkyvät. Koska vaikutus riippuu fotonin energiasta, lyhemmän aallonpituuden valo ei sen sijaan juuri muutu: se kävelee ongelmitta naulatyynyllä.
Ajattelimme, että tämä saattaisi selittää kosmologian tämän hetken isoimman ristiriidan havaintojen ja teorian välillä. Kun maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden määrittää kosmisesta mikroaaltotaustasta ja supernovista, saa eri tuloksen. Näihin kahteen erilaiseen havaintoon pohjaavassa tarkastelussa on paljon eroja, mutta me kiinnitimme huomiota siihen, että ne pohjaavat erilaiseen valoon. Supernovien valo on näkyvällä ja infrapuna-alueella, eli sen energia on isompi kuin mikroaaltotaustan fotonien.
Löytämämme vaikutus menee kuitenkin havaintojen kannalta väärään suuntaan. Vaikka pimeän aineen massa olisi sopiva, niin että se vaikuttaisi mikroaaltoihin mutta ei infrapunavaloon, tämä vain pahentaisi ristiriitaa. Niinpä käteen jää vain raja sille, miten raskasta pimeä aine voi olla, jotta sen vaikutusta ei näkyisi mikroaaltotaustassa. Raja on suhteellisen tiukka, ja sulkisi pois ison määrän pimeän aineen malleja.
Päättelymme ei kuitenkaan ole aukotonta. Otimme huomioon aika-avaruuden kaarevuuden, mutta jätimme pois muita valon kulkuun vaikuttavia tekijöitä, jotka voivat olla merkittäviä. Käsittelymme siitä, miten massa jakautuu hiukkasten sisällä oli myös hyvin yksinkertainen. Pitäisi tutkia tarkemmin, miten hiukkasten kvanttimekaaninen todennäköisyysjakauma leviää kun ne kelluvat avaruudessa vuorovaikuttaen hyvin heikosti ympäristönsä kanssa.
Voi olla, että johtopäätöksemme vielä muuttuvat, mutta minusta tämä on hauska tapa mahdollisesti saada tietoa pimeän aineen hiukkasluonteesta valon ja gravitaation kautta, ja odotan että pääsen jatkamaan sen parissa vuonna 2023.
18 kommenttia “Naulavuoteella kävelemistä”
-
Jernau Gurgeh sanoo:
Mukava lukea omasta tutkimuksestasi, erittäin kiinnostavan oloinen aihe.
-
Koditon sanoo:
Fotoni onkin omituinen olio. Lukion fysiikan kirja ei paljasta siitä juuri mitään. Sillä on aallonpituus, taajuus, nopeus jne. Koosta ei mainita mitään, joka olisi se kailkkein kiinnostavin tieto. Onko fotonin koko sama asia kuin sen aallonpituus? Sanot, että hiukkasen koko on pieni. Tarkoitatko, että fotonin koko on pieni. Laserin valoa voi himmentää suodattimilla tasolle, jossa säteen energia on pienempi kuin saman aallonpituuden omaavan fotonin energia. Onko laserin säde nyt yksittäisiä erillisiä fotoneita? Kaksoisrakokokeessahan näin tehdään.
Mysteeriksi on jäänyt fotonin koko täällä päässä.-
Syksy Räsänen sanoo:
Alkeishiukkasten koko onkin tosiaan monimutkainen kysymys. Kirjoitan merkinnässä vain pimeän aineen hiukkasten koosta.
Tässä yhteydessä koko viittaa aaltofunktion leveyteen. Hiukkasilla ei ole määrättyä paikkaan, ainoastaan todennäköisyysjakauma paikalle. Niinpä niiden massallakin on todennäköisyysjakauma. Kuten lopussa kirjoitan, ei itse asiassa ole aivan selvää, miten pimeän aineen hiukkasten aaltofunktio kehittyy.
Fotoneilla on aaltofunktio samalla tavalla.
Lasersäde koostuu tosiaan suuresta määrästä yksittäisiä fotoneita. Ei kai lasersäteen energia voi laskea yksittäisen fotonin energian alle?
-
Ei taidakaan mennä niin kuin ajattelin.
-
-
-
Lentotaidoton sanoo:
Räsänen: Niinpä käteen jää vain raja sille, miten raskasta pimeä aine voi olla, jotta sen vaikutusta ei näkyisi mikroaaltotaustassa. Raja on suhteellisen tiukka, ja sulkisi pois ison määrän pimeän aineen malleja.
Mielenkiintoinen yksi (uusi?) tutkimusnäkökulma. Eli mikä se raja teidän mukaanne olisi? Ja mitä malleja se siten sulkisi pois? Onko tällaisia tutkimuksia muita olemassa, vai oletteko pioneereja?
-
Raja on tekstissä mainittu 10% protonin massasta. Pimeä aine ei siis voi olla tuota raskaampaa. Pimeän aineen malleja on satoja erilaisia, suurin osa tämän rajan huonommalla puolella. Tämä on ensimmäinen tutkimus aiheesta. Tulos ei kuitenkaan ole vielä vakaalla pohjalla, approksimaatioidemme pätevyyttä pitää tarkastella huolella.
-
Eli jos protoni on pyöreästi 1 GeV, niin tuo raja olisi suuruusluokkaa alle Myonin (105 MeV). Tämän mukaan esim WIMPit putoaisivat pois laskuista?
-
Joo, raja kosmisesta mikroaaltotaustasta on noin 100 MeViä. Sanaa WIMP käytetään nykyään eri merkityksissä, jotkut käyttävät myös tuota kevyemmille hiukkasille.
Massaraja kasvaa kuten aallonpituus potenssiin 2/3, eli 21 cm säteilyn (aallonpituus sata kertaa isompi kuin mikroaaltojen) havainnoilla saisi rajan jonnekin MeVin tienoille.
Arvio massarajalle on karkea: tuolla massalla vaikutus kosmiseen mikroaaltotaustaan olisi luokkaa 100%. Mikroaaltotausta on kuitenkin hyvin tarkkaan mitattu, joten paljon pienempiäkin häiriöitä voisi nähdä, eli tarkemmalla analyysillä massarajaa saisi varmaan myös huomattavasti alas. Mutta ennen kuin sitä kannattaa tehdä, pitäisi tarkistaa laskussa käytetyt approksimaatiot.
-
-
-
-
Sellaisen vielä laitan, että onko fotinilla aaltofunktio joka määräisi sen koon, kuten piemeän aineen hiukkasen tapauksessa.
-
On.
-
-
Päivystävä fenomenologi sanoo:
”Osoittautui, että kun fotoni kulkee pimeän aineen hiukkasen läpi, pimeän aineen hiukkasen aiheuttama kaarevuus antaa fotonille massan, joka on sitä isompi mitä suurempi kaarevuus on.”
No mutta eikö nykyajan tiedepopulistien pyhissä opinkappaleissa nimenomaan painoteta, ettei fotonilla ole mitään massaa? Toisaalta en tätä hämmennystä erityisemmin ihmettele, sillä eiväthän nämä suuria totuuksia laukovat tiedemaailman ylipapit osaa selvittää edes hiukkasten perusolemusta, vaikka aiheesta niin paavilliseen sävyyn rahvaalle saarnaavatkin. Paradoksien riivaama suhteellisuusteoria on ehkä se keskeisin ideologisuskonnollinen oppi, jota vain arvostetuin yläluokka kykenee lapsenomaisin kielikuvin selventämään, saaden kritiikittömät ihmismassat ihastelemaan luonnontieteellisen menetelmän saavutuksia.
Mutta niin tai näin, ainoa varma pohja tieteenfilosofialle on jokin ehdottoman varma lähtökohta, eli pelkistetyimmillään inhimillinen tietoisuus. Kehoitankin siis herra kosmologia ja kumppaneita pohtimaan nöyrästi nykytietämyksen rajoja sekä saavuttamaan fenomenologisen reduktion, joka johdattaa kohden syvällisempää totuutta. Suurin arvo olisi tiedepopulisteille itselleen.
-
Tällaisten näennäisten ristiriitaisten ilmausten taustalle on usein se, että fysiikkaa esittelevissä populaareissa esityksissä käytetään kieltä aina epätäsmällisesti, ja alan ulkopuoliselle voi olla vaikeaa suhteuttaa kahta yksinkertaistettua esitystä toisiinsa.
Kirjoitin aiheesta hieman täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/suureellinen-fantasiaeepos/
Kun sanotaan, että fotonilla ei ole massaa, tarkoitetaan sitä, että vapaasti matkaavalla fotonilla, joka ei vuorovaikuta minkään kanssa, ei ole massaa. Sama pätee vaikkapa elektroneihin. Elektronit saavat massan, koska ne vuorovaikuttavat Higgsin kentän kanssa – voi myös sanoa, että ne käyttäytyvät kuten niillä olisi massa sen sijaan että niillä olisi massa.
Vastaavasti fotonit saavat massan esimerkiksi kulkiessaan plasman tai metallin läpi. Philip Anderson itse asiassa löysi tämän ilmiön, joka on lähellä Higgsin mekanismia, ennen Higgsiä, ja joidenkin mielestä hänen olisi pitänyt saada osansa vuoden 2013 Nobelin palkinnosta Englertin ja Higgsin kanssa.
Aiheesta lisää täällä: https://web.archive.org/web/20220526101420/http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/perustuslakien_saatamisjarjestys
Sofien ja minun löytämä ilmiö on tälle sukua.
Suhteellisuusteoriassa ei ole paradokseja (eli sisäisiä ristiriitoja), tarkemmin ks. https://journal.fi/tt/article/view/41570
Pyydän kirjoittamaan asiallisesti.
-
-
Erkki Kolehmainen sanoo:
”Pyydän kirjoittamaan asiallisesti” on hieno toive, mutta voiko se toteutua, jos kirjoittajan lähtökohta on erilainen kuin Syksyn? Viittaan tällä päivystävän fenomenologin määritelmään, että ”ainoa varma pohja tieteenfilosofialle on jokin ehdottoman varma lähtökohta, eli pelkistetyimmillään inhimillinen tietoisuus.” Tässä suhteessa minulle maailman selittäjinä jumala ja pimeä aine/energia ovat samanarvoisia, sillä kummastakaan ei ole suoraa kokeellista havaintoa.
-
Asiallisesti kirjoittaminen on erityisen tärkeää silloin kun lähtökohdat ovat erilaiset.
Pimeä aine on sata vuotta vanha hypoteesi, joka on onnistuneesti selittänyt ja ennustanut suuren määrän erilaisia havaintoja, joita ei ole pystytty selittämään millään muulla tavalla. Se on siis erittäin onnistunut tieteellinen idea.
Pimeä energia on teoreettisena ideana vielä vanhempi, vuodelta 1917, mutta havaintojen puolesta sitä on tarvittu vasta 90-luvulta alkaen. Se on selittänyt ja ennustanut oikein monia havaintoja (ei yhtä paljon kuin pimeä aine) yli 20 vuoden ajan. Idea voi olla oikein tai väärin, mutta se on tieteellisesti testattavissa.
-
-
Martti V sanoo:
Xenon tyyppiset kokeet taitaa rajata pimeän aineen 10 protonin massaan. Tämä tutkimus rajaa selkeästi alemmas ja jos on paikkansa pitävä, taitaa tehdä suorat hiukkashavainnot mahdottomaksi neutriinotaustakohinasta?
-
XENONin tyyppiset kokeet, missä yritetään havaita pimeä aine suoraan, eivät rajaa pimeän aineen massaa yksin. Ne rajaavat sitä, miten raskas pimeän aineen hiukkanen voi olla, jos se vuorovaikuttaa tietyllä voimakkuudella tavallisen aineen kanssa.
Niiden kannalta pimeän aineen massa voi olla miten iso tai pieni tahansa jos vuorovaikutus on tarpeeksi heikko – silloin hiukkasta ei kuitenkaan nähdä.
Tämä gravitaatioon perustuva raja -jos se pitää paikkansa- ei riipu hiukkasen vuorovaikutuksen voimakkuudesta, ja pätee siis kaikkiin pimeän aineen hiukkasiin.
Kevyiden pimeän ainen hiukkasten signaalin voi periaatteessa erottaa suoran havaitsemisen kokeissa nautriinoista suunnan perusteella. Neutriinothan tulevat enimmäkseen Auringosta, kun taas pimeä aine kulkee saman verran joka suuntaan. Ks. tämä suunniteltu koe (jonka herkkyys kyllä loppuu tuossa protonin massan kymmenesosan tienoilla): https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/suunnistuksen-lahtokynnys/
-
Tosiaan vaikka pimeäaine tuntisi heikon vuorovaikutuksen, sitä ei tulla suoraan löytämään kosmisesta neutriinotaustasta enää tuolla massan ylärajalla. lman vuorovaikutusta havaiseminen on vielä mahdottomampaa ja kyse olisi eksoottisesta hiukkasesta . Steriili neutriinokaan ei taida enää olla vahva kandidaatti?
-
Steriili neutriino on suosikkikandidaattini pimeäksi aineeksi. Se sopii vielä havaintoihin, ja on joitakin havaintoja, jotka saattavat olla siitä suora merkki. (Tai sitten ne saattavat, kuten monet aiemmat havainnot, selittyä tavallisilla tähtitieteellisillä lähteillä pimeän aineen sijaan.)
Tarkemmin, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/huippujen-laskeminen/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vasemmalta-oikealle/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/
-
-
-
”Joidenkin poikkeuksellisten kvanttikenttäteorioiden rakenne kuitenkin sallii vain äärellisen (ja yleensä pienen) määrän erilaisia vuorovaikutuksia”. Millaisista teorioista tässä on kyse?
Tällaisia teorioita sanotaan renormalisoituviksi teorioiksi. Niiden rakenteen selittäminen vaatisi pidemmän tekstin, mutta sanon karkeasti ja epäselvästiu, että tyypillinen renormalisoituva teoria on sellainen, jossa 1) vuorovaikutuksiin liittyy tietynlainen symmetria (mittasymmetria), 2) kaikkien vuorovaikutusten voimakkuutta mittaavat varaukset (kuten sähkövaraus) ovat dimensiottomia yksikköjärjestelmässä, missä valonnopeuson yksi ja redusoitu Planckin vakio on yksi, ja 3) hiukkassisältö on sopiva.
Symmetriat ovat mielenkiintoisia. Supersymmetria perustuu oletuksiin hiukkasperheestä. Jospa supersymmetria onkin levittäytyneemmissä virityksissä?
Tuntuisi, ettei hyviä symmetriaideoita välttämättä tarvitsisi heittää romukoppaan vaan niille voisi löytyä perusteluja ja todennettavaa näkökulman vaihdolla. Liekö tosissaan vielä yritettykään?
Supersymmetria ei perustu ”oletuksiin hiukkasperheestä”. Standardimallin perherakenteella ei ols supersymmetrian kanssa mitään tekemistä.
Supersymmetria perustuu oletukseen, että suppean suhteellisuusteorian aika-avaruutta kuvaavat symmetriat ja hiukkasfysiikan hiukkasten vuorovaikutuksiin liittyvät symmetriat ovat osa samaa kokonaisuutta. Tästä oletuksesta seuraa, että hiukkasia pitää olla havaittuja enemmän.
Hei,
Asiallinen, asiantunteva ja mielenkiintoinen artikkeli!
Ursassa tiedätte varsin hyvin, että Räsänen on saanut syytteet kahdesta törkeästä rikoksesta. Käräjäoikeuden vapauttava päätös ei ole vielä lainvoimainen.
Yhdistyksenä Ursan tulisi täysin pidättäytyä kaikesta yhteistyöstä Räsäsen kanssa rikosprosessin ollessa vireillä. Tämä on nykyisin täysin vakiintunut käytäntö. Tämä osoittaisi myös, että Ursa ei hyväksy mitään rikollista toimintaa. Epäillyt syyksiluettavat tekomuodot ovat törkeitä ja niitä on kaksi kappaletta.a
Vastaan omalta osaltani.
Oikeus hylkäsi syytteet kunnianloukkauksesta ja yksityiselämää loukkavasta tiedon levittämisestä. Päätös on lainvoimainen. Käräjäoikeus totesi, että emme olleet rikkoneet lakia, ja että käsittelemäämme aihetta voidaan ”pitää sellaisena yleisen edun mukaisena asiana, josta tulee voida avoimesti keskustella”. Oikeus lisäksi totesi, että ”asialla on oletettavasti ollut merkitystä koko pienelle tiedeyhteisölle ja se on ollut yhteiskunnallisesti ja myös maailmanlaajuisesti merkityksellinen ja laajaa keskustelua herättänyt asia, mikä korostaa sananvapauden suojaa”.
Tarkemmin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/myos-me-kierros-4-we-too-round-4/
Väitteesi ”täysin vakiintuneesta käytännöstä” ei pidä paikkaansa. Esimerkiksi Johanna Vehkoon viisi vuotta kestäneen kunnianloukkausjutun aikana journalistiset tahot lisäsivät yhteistyötä hänen kanssaan ja antoivat hänelle tunnustuksia.
Pelkään pahasti, että Standardimallin ohjaava voima on niin suuri, että sen perusteella tehdyt koejärjestelyt (LHC) antavat aina tuloksen, joka vahvistaa Standardimallia! Eli suljetussa luupissa ollaan eikä tuulet miksikään käänny ennen kuin päästään mallista eroon. Nyt tarvitaan ajattelussa kvanttihyppäyksen kaltaista laadullista muutosta?
Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa etsitään kymmenillä erilaisilla koejärjestelyillä LHC:ssä.
Kiitokset Syksylle siitä, että hän uskalsi mainita kolmen venäläisen fyysikon nimet positiivisessa sävyssä. Sellaista ei viime aikoina ole juurikaan tapahtunut, koska Venäjästä ja venäläisyydestä on tehty kirosana!
Khalatnikov syntyi Ukrainassa. Landau syntyi nykyisen Azerbaidžanin alueella ja työskenteli Ukrainassa ja Venäjällä. En tiedä millainen kansallinen identiteetti heillä oli, itse puhuisin neuvostofyysikoista.
Voiko standardimallin kaikkia parametreja (joita muistaakseni on parisenkymmentä) varioida ilman että renormalisoituvuus häviää? Voiko hiukkasperheitä olla jokin muu määrä kuin kolme, ilman että renormalisoituvuus häviää?
Renormalisoituvuus säilyy riippumatta parametrien arvoista ja perheiden määrästä.
Minusta standardimalli on vähän kuin vuoristomaisema, joka katselemme kivikautisesta alppikylästä. Vuorten yleispiirteet vihjaavat taustalla olevasta geofysiikasta (vuorenpoimutus, laattatektoniikka, ruuhilaaksot, jääkaudet, jne.), mutta yksittäisten vuorten paikat ovat satunnaisia. Haasteena on katsoa standardimallia niin että taustalla oleva fysiikka paljastuisi ilman että satunnaiset yksityiskohdat varastavat huomion; helpommin sanottu kuin tehty. Geofysiikan tapauksessa pelkkä vuoriston katselu ei riittänytkään, vaan lisäksi piti kiinnittää huomio rinteiltä löytyviin merieläinten fossiileihin sekä maailmankartan muotoihin, jotta päästiin avainidean eli mannerliikuntojen jäljille.
Vastaus ongelmaan on tämä: Mordehai Milgrom ja MoND (Modified Newtonian Dynamics)
MOND on yritys selittää osaa niistä havainnoista, joita pimeä aine selittää, ilman pimeää ainetta. Se ei ole kokonainen teoria, mutta on kehitetty teorioita joiden rajatapauksena olisi MOND. Yksikään tällainen teoria ei ole pystynyt selittämään kaikkia samoja havaintoja kuin pimeä aine, saati onnistuneesti ennustamaan uusia kuten pimeä aine.
Tarkemmin, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/
Kiitos taas mielenkiintoisesta katsauksesta! Onko Standardimallista olemassa jokin ”virallinen versio”, jota päivitetään tiedeyhteisön konsensuksen mukaan? Esimerkiksi omien opintojeni aikaan neutriinoilla ei ajateltu olevan nollasta poikkeavaa lepomassaa, 90-luvulla ilmeisesti neutriinojen kätisyyden vaihtuminen alkoi edellyttää lepomassaa, pari–kolme vuotta sitten mainitsit blogissasi neutriinojen massaksi 5–10 keV, ja uusimmissa artikkeleissa näyttää massan arvion tarkentuneen johonkin 0,1 eV paikkeille (jos olen oikein ymmärtänyt). Ovatko nämä arviot massoista aikojen kuluessa vain jonkinlaisia välituloksia, vai hyväksytäänkö ne standardimalliin sitä mukaa kuin arviot muuttuvat?
Tämä onkin hyvä kysymys. Standardimallista on periaatteessa vain yksi versio, jossa tosiaan ei ole neutriinoiden massoja. Jotkut tosin kutsuvat Standardimalliksi myös teoriaa, johon on lisätty neutriinoiden massat, koska ei ollut hyvää syytä jättää niitä alun perin pois.
Neutriinoiden massojahan ei ole havaittu kiihdyttimissä, vaan toisenlaisissa kokeissa. Massojen tarkkoja arvoja ei tiedetä, vain yläraja (joka on tosiaan noin 0.1 eV) ja neutriinoiden emassojen erot.
Tarkemmin, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sekoittumista/
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/pikkupuolueettomien_epamaaraisyytta
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/pikkupuolueettomien_taustoja
To 5-10 keV on massa-arvio kevyimmälle nk. oikeakätiselle neutriinolle, jos pimeä aine koostuu siitä. Oikeakätisten neutriinoiden olemassaolosta ei ole varmuutta.
Tarkemmin, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/huippujen-laskeminen/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vasemmalta-oikealle/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/
Neutriinoista puheen ollen Bruno Pontecorvon nimi on mainittava. Hän oli Enrico Fermin oppilas, joka loikkasi Helsingin kautta Neuvostoliittoon v. 1950 ja teki pääosan tieteellisestä urastaan siellä. Hänen ideansa on mm. neutriinoiden oskillaatio eli muuttuminen toisikseen!
Kiitos pikaisesta ja kattavasta vastauksesta! Noissa aiemmissa kirjoituksissasi mainitset nuMSM:n muutaman kerran, ja että se ”on hyvin motivoitu, yksinkertainen ja vieläpä kokeellisesti lähiaikoina varmennettavissa tai poissuljettavissa” (lainaus 2016 blogistasi). Mikähän sen osalta on nykyään tilanne, onko esimerkiksi kokeellisesti onnistuttu varmentamaan nuMSM:ää suuntaan tai toiseen?
P.S. Nuo linkit Tiede-lehden blogitesteihin vievät vain Helsingin Sanomien Tiede-osastolle, enkä onnistunut sitä kautta mitenkään pääsemään käsiksi noihin teksteihisi. Arkiston kautta ehkä saattaisi päästä, mutta se taitaa olla vain Tiede-lehden tilaajille?
nuMSM:n tilanne ei ole oleellisesti muuttunut. Kolme pientä askelta on otettu sitten vuoden 2016.
1) Havainnot ovat rajoittaneet oikeakätisten neutriinoiden massaa, jos ne ovat pimeää ainetta ja niiden massa on 1-10 keVin tienoilla. Massaikkuna ei kuitenkaan ole sulkeutunut.
2) Tarkemmat laskut baryogeneesistä osoittavat, että raskaampien oikeakätisten neutriinoiden (niiden jotka eivät ole pimeää ainetta) massaikkuna onkin luultua paljon isompi.
3) Jotkut röntgensädehavainnot saattavat olla syntyneet oikeakätisten pimeän aineen neutriinoiden hajoamisesta.
Tosiaan, Tiede-lehden blogithan on lakkautettu. Tekstit löytyvät laittamalla linkin Wayback Machineen. Yritän jatkossa muistaa pistää Wayback Machine -linkit noiden vanhentuneiden linkkien sijaan.
https://archive.org/web
Neutriinojen massattomuus ja itsensä antihiukkaisuus, oikeakätisenä antihiukkasensa, ei liene vieläkään todennettu mahdottomaksi, järkeväksi epäillä sen sallivaa mekanismia massaoskilloinnin sijaan? Tässäkin levittäytyneen funktion sumea logiikka voisi olla vahva työkalu.
Jos neutriinot ovat omia antihiukkasiaan, se ei tarkoita, että ne olisivat massattomia. Itse asiassa kun neutriinoilla on massat, on luontevinta, että ne ovat silloin omia antihiukkasiaan. (Mutta se ei ole välttämätöntä.)
Siis yhdistelmä massattomuus-majoranaisuus-fermionisuus on mahdollinen, vaikka massallisuus näyttääkin nyt vakuuttavammalta selitysmallilta.
Neutriinot ovat fermioneja. Se, että ne olisivat massattomia ja Majorana-fermioneja (eli omia antihiukkasiaan) ei mitenkään selittäisi havaintoja neutriinoiden oskillaatioista, sitä varten niillä pitää olla massat.
Tämä riittäköön tästä.
Eikös hiukkasella ja sen anti-parilla ole aina sama massa? mainitsit, että neutriinojen (vas. kät.) massan yläraja olisi 0.1eV. -> eikö se ole silloin myös oikeakätisen? Neturiinoja on kolmessa generaatiossa. Kuuluko pimeänaineen kandidatti niistä tiettyyn?
Kyllä, mutta vasenkätiset ja oikeakätiset neutriinot eivät ole toistensa antihiukkasia.
Mainitsemassani nuMSM-mallissa (ks. kommentit yllä) kevyin oikeakätinen neutriino on pimeän aineen hiukkanen. Kaksi muuta voivat olla vastuussa aineen ja antiaineen epäsuhdasta, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vasemmalta-oikealle/
Kyse tosin ei ole aivan perheistä sikäli, että ne neutriinot, joilla on tarkat massat, ovat sekoitus eri perheiden neutriinoja. Tavallisten vasenkätisten neutriinoiden kohdalta yritin selittää asiassa täällä: https://web.archive.org/web/20220820021821/http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/pikkupuolueettomien_epamaaraisyytta
onko esitetty teoriaa, jossa aika on kolmiulotteinen?
Luultavasti. Ainakin kahta aikaulottuvuutta on pohdittu. Menee sen verta kauas merkinnän aiheesta, että ei siitä enempää.
”Kun tavalliset neutriinot muuttuvat oikeakätisiksi neutriinoiksi, leptoniluku siis muuttuu. ” tästä sain käsityksen, että vasen ja oikeakätinen ovat toisetensa antihiukkasia. Neutriino on oma antihiukkasensa, sillä varaus on sama nolla. Miten spin suhtautuu?
Kun merkintä ei koske neutriinoja, ei tästä sen enempää.