Kosmokseen kirjoitettua

Palapelin rakentamista

21.1.2026 klo 18.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitin edellisessä merkinnässä isojen kielimallien (”AI:n” tai ”tekoälyn”) käytöstä opetuksessa. Myös tutkimuksessa käytetään niitä ja muita koneoppimisalgoritmeja yhä enemmän.

Noin puolessa Euclid-tutkimusryhmän viime keväänä julkistamista artikkeleista, missä raportoitiin Euroopan merkittävimmän kosmologiasatelliitin Euclid ensimmäisistä tuloksista, oli käytetty koneoppimista tutkimuksen tekemisessä. Esimerkiksi maailmankaikkeuden rakenteen kehittymistä kuvaavien simulaatioiden tekeminen vaadittavalla tarkkuudella ja tarvittavissa määrin ei olisi mahdollista ilman koneoppimista. Sopiva algoritmi oppii tarkoista simulaatioista kehittämään tuloksia tapauksissa, jotka ovat niitä riittävän lähellä oppimateriaalia.

Osa koneoppimisalgoritmeista on tutkijoiden omaan käyttöön kehittämiä, mutta viime vuosien läpimurto on kaupalliset yleiseen käyttöön tarkoitetut isot kielimallit. Niihin liittyy paljon hehkutusta vallankumouksellisuudesta, josta suuri osa on kyseenalaista tosiseikkojen näkökulmasta mutta tarpeellista bisnesmallin kannalta.

Isoihin kielimalleihin liittyy merkittäviä eettisiä ongelmia. Kollegani Deanna Hooper käy läpi joitakin niitä Fysiikan tutkimuslaitoksen blogissa. Tietojenkäsittelytieteilijä Hannu Toivonen on Helsingin yliopiston Think Open -blogissa listannut isojen kielimallien käytölle suosituksia, joita nykyisillä kaupallisilla sovelluksilla on vaikea ellei mahdoton toteuttaa, kuten kestävän kehityksen tukeminen.

Datakeskusten isojen kielimallien kouluttamisessa ja käytössä kuluttama vesi ja energia ovat iso ekologinen ongelma. Lisäksi niiden bisnesmalli on sekä tuhoisa että kestämätön, ja isojen kielimallien kaupallisia palveluita halvalla tai ilmaiseksi tarjoavien yritysten lähitulevaisuuden konkurssi vahingoittanee merkittävästi maailmantaloutta. Sillä on myös iso vaikutus näiden sovellusten tarjontaan, mikä tekee niiden varaan rakentamisesta kyseenalaista.

Usein jätetään mainitsematta se, että monet kielimallien tarjoajat osallistuvat kansanmurhaan, joten niiden rahalliseen tukemiseen liittyy ilmeisiä moraalisia ongelmia. Helsingin yliopiston, kuten useimpien yliopistojen, johto ei ole kiinnostunut tämäntyyppisistä eettisistä kysymyksistä, eivätkä sen eettiset asiantuntijat tee asiassa tehtäväänsä.

Näiden eettisten ongelmien lisäksi, ja niistä huolimatta, isoihin kielimalleihin liittyy tieteen kannalta toinen iso kysymys: mikä on niiden hyöty ja haitta tutkimukselle?

Tutkijat käyttävät isoja kielimalleja samaan tapaan kuin muutkin: ne nopeuttavat koodin kirjoittamista merkittävästi, tiivistävät tekstiä erinomaisesti (mukaan lukien artikkeleita, joita ei ehdi muuten lukea), niistä on apua tekstin kieliasun ja ilmaisun parantamisessa, ja niin edelleen. Mutta lisäksi isoja kielimalleja on ruvettu käyttämään tutkimuksessa tavalla, jossa niitä kohdellaan ennemmin yhteistyökumppanina kuin työkaluna.

Luin viime keväänä nettiarkistossa arXiv julkistettua artikkelia kosmologiasta. Tuntui oudolta, että tekstissä oli paljon bullet pointeilla jäsenneltyjä listoja ja epämääräisen yleisluontoista tekstiä – kumpikaan ei ole tavallista alan tutkimuksessa mutta kylläkin isojen kielimallien tuotoksissa. Sitten vastaan tuli entistä kummallisempia väitteitä, kuten se että luku 75 on pienempi kuin 73. Tarkempi luenta osoitti, että iso kielimalli oli myös keksinyt artikkeliin ainakin yhden viitteen, joka näyttää aidolta, mutta jota ei ole olemassa: tätä ihminen ei voi vahingossa tehdä. En tiedä olivatko kaikki artikkelin tulokset ison kielimallin arvausta siitä miltä tutkimus näyttää, vai oliko osa tutkimuksesta oikeasti tehty.

Toin tapauksen arXivin hallinnon tietoon, ja artikkeli on poistettu arXivista sääntöjen ”vakavan rikkomisen” takia. Kahden artikkelin kirjoittajan nimet on myös poistettu näkyvistä, joten on mahdollista että iso kielimalli oli keksinyt lisätä ne. Minulle on epäselvää, miksi alan tutkija laittaa nimensä tällaiseen tekeleeseen, josta jää varmasti kiinni. Mutta koska isot kielimallit mahdollistavat oikealta näyttävien tulosten joita ei ole olemassa nopean ja vaivattoman tuottamisen, niitä myös käytetään siihen yhä enemmän.

Hienovaraisempi esimerkki on arvostetussa lehdessä Physics Letters B tässä kuussa julkaistu artikkeli, jonka pääidea oli sen kirjoittajan mukaan ison kielimallin keksimä. Kirjoittaja myöntää, että isot kielimallit tekevät sekä yksinkertaisia virheitä että käsitteellisesti virheellisiä mutta uskottavalta näyttäviä päätelmiä. Hän vertaa niiden käyttämistä yhteistyöhön epäluotettavan ihmisneron kanssa, ja sanoo että virheitä voi vähentää käyttämällä yhtä kielimallia tuloksen tuottamiseen ja toista sen tarkistamiseen.

Alan asiantuntija Jonathan Oppenheim totesi nopeasti, että kyseinen artikkeli on käsitteellisesti täysin väärin, eikä siinä todisteta sitä asiaa, mitä väitetään. Oppenheim varoittaa tiedemössön aikakaudesta, missä isojen kielimallien kyky tuottaa oikealta näyttävää roskaa kasvaa nopeammin kuin ihmisten mahdollisuudet seuloa sitä. Niiden tuotos näyttää usein oikealta, vaikka olisi perustavanlaatuisesti väärin, ja muun kuin asiantuntijan voi olla vaikea arvioida mistä on kyse. Asiaa ei auta se, että myös artikkelien vertaisarvioinnissa käytetään yhä enemmän isoja kielimalleja.

Samalla isoista kielimalleista on paljon apua joidenkin tutkimukseen liittyvien osien automatisoimisessa. Kenties hieman yllättäen isoista kielimalleista on toistaiseksi ollut enemmän hyötyä matematiikassa, joka on fysiikkaa täsmällisempi ala. Tämä johtuu siitä, että siinä matemaattisilla todistuksilla on keskeinen rooli, ja niiden tarkistamiseen on olemassa täsmällisiä sovelluksia kuten Lean, mikä auttaa tunnistamaan isojen kielimallien virheitä.

Automatisaatiolla on pitkä historia fysiikan (ja monen muun inhimillisen toiminnan alan) mekaanisten tehtävien yksinkertaistamisessa. Aikoinaan planeettojen ratoja laskettiin käsin, nykyään tietokoneet tekevät sen nopeammin ja tarkemmin, eikä kukaan kaipaa menneeseen. Tällaisen automatisaation hyötynä ei ole vain nopeus, tärkeää on myös se, että perinteiset algoritmit ovat täsmällisiä eivätkä tee huolimattomuusvirheitä, mikä ovat ihmisten tekemissä pitkissä laskuissa suuri ongelma. Tietokoneet on rakennettu logiikan sääntöjen fysikaalisiksi ilmentymiksi, ja ohjelmat noudattavat ennalta määrättyjä polkuja, joissa jokainen askel seuraa johdonmukaisesti edellisestä.

Isot kielimallit ovat ratkaisevasti erilaisia. Niiden koodit toki toimivat täsmällisesti kuten muutkin ohjelmat, mutta niitä ei ole rakennettu loogiseen päättelyn. Ne ovat arvauskoneita, jotka ovat hyviä tunnistamaan kuvioita, rakentamaan niistä palapeliä ja keksimään uusia paloja.

Tässä ne ovat lähempänä aivojen toimintaa kuin perinteiset ohjelmat. Aivot ratkaisevat valtavan tehokkaasti, tavalla jota ei vielä täysin ymmärretä, kuvantunnistusta, liikkeenhallintaa, ja vastaavia laskennallisia tehtäviä. Tietoiseen päättelyyn on käytettävissä vain pieni osa tästä laskennan arkkitehtuurista, ja hyvin eri tavalla. On erittäin työlästä ohjata aivoja tietoisesti laskemaan vaikkapa monimutkaisia todennäköisyysjakaumia, vaikka niiden tiedostamaton osa oletettavasti tekee niin koko ajan osana havaintojen muodostamista.

Vastaavasti isojen kielimallien päätelmien yksityiskohdat ovat meille näkymättömissä. Iso ero ihmisen aivoihin on se, että isot kielimallit eivät ymmärrä tekemäänsä, vaikka ne ovatkin hyviä tuottamaan tekstiä, joka antaa toisen vaikutelman.

Kun Pariisissa tutkimusvapaalla ihmettelin sitä, miten ihmiset vielä laskevat käsin rakenteeltaan suoraviivaisia mutta yksityiskohdiltaan hyvin monimutkaisia gravitaatiolaskuja, eräs kollega totesi, että meidän pitää odottaa, että vanhat mestarit jäävät eläkkeelle ja nuoret ottavat uudet menetelmät käyttöön.

Kun isojen kielimallien kaltaiset epäluotettavat kuviontunnistajat yhdistetään myös fysiikassa ohjelmistoihin, jotka pystyvät tarkistamaan tulokset täsmällisesti ja joiden jokaisen askelen voi tarkistaa, tämä mullistaa tutkimuksen. Tämä on puuttuva pala, jonka lisäämisellä on valtava merkitys isojen kielimallien käytölle luonnontieteissä.

Tämän askeleen myötä paljon siitä laskemisesta, minkä nykyään tekevät väitöskirjaopiskelijat ohjaajansa ideoista muuttuu koneelliseksi työksi, johon ihmisten ei tarvitse koskea. Fysiikkaa opitaan tekemällä, joten myös opetuksen pitää muuttua, kuten se on muuttunut automatisaation aiemmissa vaiheissa. Laskutikut jäivät historiaan nopeasti, eikä käsin integroimisella ole enää samaa roolia kuin ennen tietokoneiden laajaa käyttöä kasvaneen sukupolven aikana.

Isoista kielimalleista on merkittävää haittaa. Tämä ei ole ristiriidassa sen kanssa, että niistä on paljon hyötyä ja tulee olemaan vielä enemmän – kuten tämä hyöty ei pyyhi pois niiden isoja ongelmia.

---

Mallioppilas

30.12.2025 klo 18.23, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Tutkimusvapaani lähenee loppua, tammikuussa palaan Helsingin yliopistolle luennoimaan yleistä suhteellisuusteoriaa. Viime kevätlukukaudella minun piti ensimmäistä kertaa kommentoida isojen kielimallien käyttämistä kurssilla. (Isoja kielimalleja, engl. large language models, ja vastaavia koneoppimisohjelmia kutsutaan yleisesti myös lyhenteellä AI, englannin sanoista artificial intelligence. Suomennos tekoäly –asia joka vaikuttaa älykkäältä mutta ei ole sitä– kuvaa niitä paremmin kuin englanninkielinen termi, joka viittaa keinotekoiseen mutta todelliseen älykkyyteen.)

Fysiikan kurssit koostuvat luennoille osallistumisesta, luentomonisteen ja/tai oppikirjojen lukemisesta ja laskuharjoitusten tekemisestä. Laskut ovat avainasemassa: fysiikan teorioiden matemaattisen rakenteen ymmärtää vasta kun käy sitä läpi laskemalla. Yleisen suhteellisuusteorian kurssilla opiskelijoille annetaan kolmesta viiteen ongelmaa joka viikko, ja he palauttavat vastauksensa, jotka laskuharjoitusassistentti tarkastaa ja pisteyttää.

Viime keväänä yksi opiskelija palautti vastauksen, joka oli suoraan kopioitu ChatGPT:ltä tai vastaavalta palvelulta. Opiskelija ei ollut edes vaivautunut piilottamaan sitä, että hän ei ollut itse tehnyt mitään. Olin pitänyt itsestään selvänä, että näin ei saa toimia, mutta tajusin, että en ollut sanonut opiskelijoille, mikä linja kurssilla on isojen kielimallien kanssa ja miksi. Tämän opiskelijan tapaus sai minut myös pohtimaan isojen kielimallien käyttöä laajemmin.

Kerroin opiskelijoille, että isojen kielimallien käyttäminen laskuharjoitusten tekemiseen on kurssilla kiellettyä. Se on huono idea opiskelijoiden kannalta, koska jos ei itse tee laskuja, niin sivuuttaa tärkeimmän tavan oppia: fysiikka on kuin käsityötä, sen oppii vain tekemällä.

Kaikkien opiskelijoiden tavoite ei tietenkään ole ymmärtää kurssin sisältöä, jotkut haluavat vain suoritusmerkinnän. Mutta yleisen suhteellisuusteorian kurssit ovat vaativia, joten jos haluaa vain suorituksen, niin kannattaa valita jotain helpompaa. Ja jos ei ole tehnyt laskuharjoituksia, ei pysty myöskään tekemään loppukoetta, eikä siis saa kurssia suoritettua, joten tältäkin kannalta isojen kielimallien vastausten kopioiminen on haitaksi.

Suurin osa isoja kielimalleja apuna käyttävistä opiskelijoista ei kopioine vastauksia suoraan, tai käyttää niitä vain aiheen yleiseen hahmottamiseen. Suosittelin opiskelijoille myös, että he eivät käytä ChatGPT:tä ja vastaavia palveluita kurssilla tälläkään tavalla. Isojen kielimallien vastaukset näyttävät oikeilta: joskus ne ovat erinomaisia koosteita, joskus ne ovat perustavanlaatuisesti väärin, ja asiaa tuntematta voi olla vaikea erottaa kummasta on kyse.

Parina viime vuonna yleisen suhteellisuusteorian kurssin loppukokeen pisteet ovat olleet entistä huonompia, ja opiskelijoiden pisteet laskuharjoituksista ja loppukokeesta ovat myös vastanneet toisiaan entistä heikommin. Nyt on tavallisempaa, että opiskelijat, jotka ovat saaneet laskuharjoituksista hyvät pisteet menestyvät tentissä huonosti: he eivät osaakaan laskea. En ole varma mistä tämä johtuu, mutta epäilyni kohdistuu isoihin kielimalleihin.

En tietenkään pysty tarkistamaan sitä, mistä ja miten opiskelijat informaatiota tai misinformaatiota yleisestä suhteellisuusteoriasta hankkivat. Isoista kielimalleista on tullut jokapäiväinen työkalu, jolta kysytään apua kaikenlaisissa asioissa. Ajat ovat muuttuneet: ensimmäiset väitöskirjaopiskelijani kuuluivat viimeiseen sukupolveen, joka oppi fysiikkaa ilman isoja kielimalleja.

Ongelma ei ole isot kielimallit sinänsä. Ne ovat hyödyllinen työkalu. (Olen ruvennut itsekin käyttämään isoja kielimalleja rahoitushakemusten editoimiseen, koska niissä vaaditaan todellisuudesta irtoavaa liioittelua ja sujuvaa esitystä, missä isot kielimallit ovat hyviä. On kuitenkin oleellista, että pystyn itse tarkistamaan, pitääkö teksti paikkansa.) Ongelma on se, että opiskelijoita ei opeteta käyttämään tätä työkalua luotettavasti ja tehokkaasti.

Helsingin yliopisto rohkaisee käyttämään isoja kielimalleja opetuksessa ja tutkimuksessa, ja on julkaissut ohjeita siihen. Tämä on tavallista, ja yliopistoilla on eri tasoisia neuvoja aiheesta. Esimerkiksi Queen Mary University of Londonin, missä nyt vierailen, ohjeet opiskelijoille korostavat isojen kielimallien ongelmia ja antavat yksinkertaisia mutta hyödyllisiä ohjeita niiden käyttämiseen.

Tämä ei kuitenkaan riitä: isojen kielimallien hyödyntäminen ja niiden käytön opettaminen vaatii merkittäviä muutoksia opetukseen.

Hyvä esimerkki on Ohio State Universityssä Yhdysvalloissa tehty astrofysiikan ohjelmointikurssi, joka suunniteltiin alusta alkaen isoja kielimalleja ajatellen. Kurssia varten tehtiin oma sovellus AstroTutor, joka pohjasi kaupalliseen isoon kielimalliin Gemini.

Tavallisin tapa käyttää isoja kielimalleja on se, että käyttäjä kirjoittaa sovellukseen tekstiä kuin ihmiselle. Käyttöliittymä luo psykologisen illuusion siitä, että käyttäjä keskustelee sellaisen tahon kanssa, joka ymmärtää mitä sille sanotaan ja mitä se itse sanoo. Isot kielimallit eivät kuitenkaan toimi näin: ne tuottavat ison koulutusmateriaalin pohjalta tekstiä, joka näyttää oikealta, mutta joka ei perustu asian tietämiseen tai pohtimiseen. Tämä näkyy siinä, että muuten tarkoissa teksteissä saattaa olla vakavia virheitä – virheitä, joita ei tekisi kukaan ihminen, joka tuntee asian niin hyvin, että osaisi kirjoittaa vastaavan tekstin.

Näitä hallusinaatioina tunnettuja ongelmia voi vähentää rajoittamalla ison kielimallin koulutusmateriaalia. AstroTutoriin valittiin kurssin keskeisistä aiheista kullekin 500-3 000 tieteellistä artikkelia arXiv-nettiarkistosta, joihin se perustaa vastauksensa.

Toinen ongelma on se, että kaupallisten mallien käyttöliittymä on suunniteltu myötäilemään käyttäjää, mikä on haitaksi oppimiselle. Yksi fysiikan opiskelun tärkeitä kokemuksia on se, että oppii olemaan väärässä: saa kiistatta selville, että oma kanta ei pidä paikkaansa, ymmärtää miksi se on väärin, ja hahmottaa että väärässä oleminen on väistämätön osa oppimista ja tutkimista. AstroTutor oli ohjelmoitu myötäilemisen sijaan osoittamaan virheitä. Se myös ennemmin ohjasi opiskelijoita esittämällä kysymyksiä ja tarjoamalla lähteitä kuin antamalla valmiita vastauksia.

Opiskelijat saivat käyttää myös kaupallisia tuotteita kuten ChatGPT:tä, ja pitivät kirjaa siitä, mitä isoja kielimalleja he käyttivät ja miten. Tämä sai heidät ajattelemaan isojen kielimallien käyttämistä ja luotettavuutta, ja kurssin loppupuolella opiskelijat olivat kriittisempiä niiden vastauksia kohtaan.

Tällaisen kurssin suunnitteleminen ja toteuttaminen vaatii merkittävää panostusta. Luennoitsijat eivät pääsääntöisesti ole päätoimisia opettajia, vaan heidän velvollisuuksiinsa kuuluu myös tutkimus, opinnäytetöiden ohjaaminen ja arvioiminen, vertaisarviointi, hallinto, rahoituksen hakeminen ja niin edespäin. Harvalla on myöskään isojen kielimallien suunnitteluun tarvittavia taitoja. Osaa kursseista luennoivat tuntiopettajat, joille maksetaan opetustuntien perusteella (ja joiden palkkioita yliopisto on laskenut). Heidän silti odotetaan muuttavan kurssit sellaisiksi, että niissä hyödynnetään isoja kielimalleja, mikä on kohtuutonta ja epärealistista.

Isojen kielimallien muutokseen vastaaminen ja niiden lupausten lunastaminen vaatii sitä mitä AstroTutoria hyödyntävällä kurssilla tehtiin: kurssien uudelleen suunnittelemista ja aiheeseen räätälöityjen ison kielimallin sovellusten tekemistä. Itse asiassa voisi olla hyvä ottaa askel taaksepäin ja tehdä sovellus tällaisten sovellusten tekemiseen.

Helsingin ylipistossa edistyneet fysiikan kurssit, kuten yleisen suhteellisuusteorian kurssit, ovat englanniksi, ja monissa englanninkielisissä yliopistoissa ympäri maailmaa opetetaan samoja aiheita. Niinpä tässä on mahdollisuus yhteistyöhön ja resurssien optimointiin. Helsingin yliopiston opetukseen ja sen arviointiin käyttämien järjestelmien menneisyys ja nykytila eivät tosin anna aihetta toiveikkuuteen, joten saattaa olla parempi ajaa muutosta pienemmissä yksiköissä.

Isot kielimallit ovat viimeisin askel automatisaation kehityksessä, millä on ollut ihmiskunnalle valtava merkitys, ja niiden käytössä ollaan vasta alussa. Ei ole selvää, mikä on varmin polku niiden hyödyntämiseen, ja mitkä niiden ongelmista ovat helposti parannettavia lastentauteja ja mitkä teknisen tai taloudellisen rakenteen takia pysyviä oireita.

Lisäksi pitää huomioida se, että isojen kielimallien nykyinen bisnesmalli on täysin kestämätön ja sen lähitulevaisuuden romahdus aiheuttanee maailmanlaajuisen talouskatastrofin. Tämä luultavasti muuttaa sitä, miten isoja kielimalleja käytetään. Lisäksi niiden energia- ja vesivaatimukset aiheuttavat merkittäviä ympäristöongelmia. Ja isoja kielimalleja käytetään kansanmurhan toteuttamiseen, niitä valmistavien yritysten tietoisella tuella, mikä tekee niiden rahoittamisesta ongelmallista. Näihin yrityksiin kuuluvat niin Geminin kehittäjä ja omistaja Google kuin Microsoft, jonka isoa kielimallia Copilot ja muita palveluita Helsingin yliopisto käyttää.

Silti isot kielimallit ja muu koneoppiminen muuttaa opetuksen, kirjoittamisen ja tiedonhaun, ja niillä on myös fysiikan tutkimuksessa iso merkitys – mistä lisää seuraavassa merkinnässä.

Myöhästynyt vallankumous

20.12.2025 klo 23.09, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Vietän tutkimusvapaata Queen Mary University of Londonissa, ja olen nauttinut Lontoon museoista. Tiedemuseossa pysähdyin Charles Babbagen differenssikoneen nro. 2 ääreen. Se on näytekappale historiasta jota ei tapahtunut, portista jonka ihmiskunta sai auki, mutta josta se ei sataan vuoteen astunut.

Vuonna 1822 Babbage julkaisi suunnitelman differenssikoneesta nro. 1. Koneen oli tarkoitus laskea ja tulostaa suunnistuksessa ja muissa käytännön toimissa tarvittavia lukutaulukoita automaattisesti, ilman että ihmisen tarvitsee osallistua laskun tekemiseen muuten kuin antamalla koneelle ongelman.

Kymmenessä vuodessa osa koneesta saatiin rakennettua. Sen avulla Babbage esitteli koneen toimintaa ja automaattisen laskennan periaatteita Iso-Britannian tieteilijöille ja seurapiireille. Hän kehitti siitä paremman version, differenssikoneen nro. 2, mutta kumpaakaan ei saatu valmiiksi. Iso-Britannian hallitus oli rahoittanut differenssikoneen nro. 1 valmistamista, mutta suuren panostuksen (22 höyryveturin tai 2 frigaatin hinta) vastineeksi se oli saanut vain seitsemäsosan koneesta. Kun Babbagen mukaan kone oli vieläpä vanhentunut ja hänellä oli jo parempi nro. 2 suunniteltuna, hallitus lopetti tuen sen mielestä epäonnistuneelle hankkeelle.

Lontoon tiedemuseossa on kaksi alkuperäistä osittain rakennettua differenssikonetta ja kesken jäänyt analyyttinen kone. Mutta pisimmäksi aikaa jäin myöhemmän laitteen eteen, laitteen joka valmistui yli 150 vuotta Babbagen suunnitelmien jälkeen.

Babbagen kaavailuja arvosteltiin myöhemmin siitä, että rattaiden ja muiden osien vaatima tarkkuus olisi ollut ajan valmistusmenetelmien ulottumattomissa. Tällöin hallituksen päätös olla rahoittamatta Babbagen työtä olisi ollut oikea.

Mutta vuonna 1991 Lontoon tiedemuseoon valmistui kokonainen toimiva differenssikone nro. 2, joka on yli kolme metriä pitkä, puoli metriä leveä ja kaksi metriä korkea. Sen osat tehtiin Babbagen ajan menetelmien tarkkuudella, ja laite toimii. Vuonna 2002 koneeseen lisättiin Babbagen piirrosten mukainen tulostin, jolla se automaattisesti printtaa tuloksensa.

Vaikka rahoitus oli loppunut, Babbagen tutkimus jatkui. Hän laajensi differenssikoneen periaatteita ja kehitti analyyttisen koneen. Siinä missä differenssikoneet pystyivät vain tiettyihin laskuihin, analyyttinen kone oli ratkaisevalla tavalla erilainen: se pystyisi tekemään mitä tahansa laskuja mitä koneen on mahdollista tehdä. Ongelmat annettaisiin reikäkorteilla, joita jo käytettiin automaattisten kangaspuiden ohjaamiseen. Tällainen kone on matemaattisten sääntöjen ruumiillistuma, jonka hammasrattaiden liikkeet polkevat laskennon askelia. (Vuonna 2011 käynnistyi suunnitelma 28 analyyttisen koneen rakentamiseksi Babbagen alkuperäisen mallin mukaan.)

Babbagen kanssa yhteistyötä tehnyt Ada Lovelace (joka oli Lordi Byronin tytär) toi mukaan vuonna 1843 käsitteellisesti mullistavan näkökulman: numerot voivat esittää lukujen sijaan mitä tahansa muutakin. Ne voisivat olla nuotteja, jolloin kone voisi soittaa musiikkia, tai sen voisi ohjelmoida piirtämään kuvia tai suorittamaan loogisia päätelmiä.

Kaikki palat olivat kasassa. Analyyttinen kone oli tietokone (laskukone olisi parempi sana kuvaamaan näitä laitteita) kuten sen nykyään ymmärrämme: väline joka voi automaattisesti ratkaista mitä tahansa laskentaan palautettavia ongelmia, joiden laskeminen on ylipäänsä koneelle mahdollista.

Jos Iso-Britannian hallitus ei olisi lopettanut rahoitusta, informaatioaikakausi olisi käynnstynyt 1800-luvun alkupuolella. Vuonna 1990 (vuotta ennen kuin toimiva differenssikone nro 2. valmistui Lontoossa) scifikirjailijat William Gibson ja Bruce Sterling esittelivät kirjassaan The Difference Engine maailman, jossa näin kävi. Siitä tuli steampunkiksi nimetyn genren keskeinen teos. Myöhemmässä steampunkissa tuntuu tosin usein olevan kepeä sävy, mikä on kaukana kuin Gibsonin ja Sterlingin tekstistä, jonka keskeisiä aiheita ovat teknologian kehityksen myötä kehkeytyneet ympäristökatastrofi ja valvontayhteiskunta.

1800-luvulla logiikkaa kehitettiin enemmän kuin koskaan antiikin Kreikan jälkeen, ja silloin rakennettiin joitakin laskemisen ja loogisen päättelyn automaatteja. Mutta ensimmäinen tietokone valmistui vasta 1940-luvulla.

Tietokoneiden myötä fysiikan (ja muiden alojen) yksityiskohtaista luvuilla laskemista käsin tehneiden ihmislaskijoiden (engl. computer) työtä ei enää tarvittu. Helmitaulut, laskutikut ja tuhansia vuosia sivilisaation keskustassa ollut taito laskea lukuja tarkkaan muuttui sukupolven aikana tarpeettomaksi.

Mutta tietokoneet eivät ole vain väline tehdä tehokkaammin laskuja mihin ihmiset pystyvät, kuten Iso-Britannian hallitus differenssikoneesta ajatteli. Ne ovat avanneet uudenlaisen informaation ja teknologian maailman, jolla on mittaamattoman suuri merkitys kaikilla ihmiselämän alueilla.

Niiden avulla voimme mitata miljardien galaksien paikan taivaalla, ja lähitulevaisuudessa ehkä kartoittaa koko näkyvän maailmankaikkeuden kaikki tuhat miljardia galaksia, ja varmistaa kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian pätevyyden niin tarkkaan ja suurissa ja pienissä mittakaavoissa, että Babbagen aikaan siihen ei olisi uskonut kukaan.

Fysiikalle, ja nykyaikamme perusteille, tietokoneet ovat olleet vähintään yhtä merkittäviä kuin kvanttimekaniikka. Tai tietokoneiden merkitys pitäisi ehkä arvioida vielä korkeammalle, ihmiskunnan suurimpien teknologis-tieteellisten saavutusten –tulen, matematiikan, kirjoituksen ja fysiikan– joukkoon.

Babbagen analyyttisen koneen myötä tämä vallankumous olisi voinut alkaa sata vuotta aiemmin. On vaikea tapahtumien keskellä hahmottaa, mitkä suunnat ovat hedelmällisiä, silloinkin kun oikea reitti näyttää myöhemmin ilmeiseltä. Esimerkiksi luonnontieteen periaatteet olisi voitu kehittää ja niitä olisi voitu soveltaa jo antiikin Kreikassa, mutta teknologinen ja taloudellinen ympäristö oli suotuisa vasta 1600-luvulla.

Sen jälkeen, kun James Maxwell 1860-luvun alussa esitti nyt hänen nimeään kantavat yhtälöt, jotka sisältävät klassisen sähkömagnetismin, reitti suppeaan suhteellisuusteoriaan oli lyhyt. Ei tarvitse kuin kirjoittaa yhtälöt hieman eri muodossa, niin näkee, että niiden mukaan aika ja avaruus muodostavat neliulotteisen kokonaisuuden, aika-avaruuden. Mutta sen sijaan Maxwellin saavutus ajoi monia tutkijoita eetteriteorioiden umpikujaan, ja vasta vuosina 1905-07 Albert Einstein ja Hermann Minkowski hahmottivat mistä on kyse.

Vaikka tiedonvälitys on nykyään tehokkaampaa, teorioita ymmärretään paremmin ja tutkijoita on paljon enemmän, ilmiö ei ole kadonnut. Kun kosmisen inflaation idea esitettiin vuonna 1980, se olisi ollut heti mahdollista yhdistää hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin kenttään. Tässä kuitenkin kesti 27 vuotta, joiden aikana kehitettiin jokunen sata erilaista mahdollista kenttää, jotka voisivat olla vastuussa inflaatiosta, vaikka siihen ei välttämättä tarvita mitään uutta. Kyse ei ole yhtä merkittävästä asiasta kuin edellä mainituissa tapauksissa, eikä ole selvää, onko Higgsin kenttä todella inflaation takana. Mutta muistan, että kun Mikhail Shaposhnikov ja Fedor Bezrukov vuonna 2007 esittivät idean, olin tyrmistynyt, että kukaan ei ollut keksinyt sitä aiemmin.

Ajattelu liikkuu ympäristön rajoittamilla radoilla ja pohdinnat tapahtuvat yhteisön sisällä, kunnes havainnot, ulkopuolinen kehitys tai hiljalleen tasainen tutkimus vie uusille reiteille.

Ja vaikka ymmärryksemme maailmasta on kehittynyt valtavasti Babbagen ajoista, on kyseenalaista ovatko tieteen rahoitusjärjestelmät parempia kohteiden tunnistamisessa, niin pienessä mittakaavassa kuin isossa. Esimerkiksi Nobelin palkinnolla vuonna 2017 palkittu ja yhä tehokkaammin toimiva gravitaatioaaltokoe LIGO Yhdysvalloissa menettää näillä näkymin 40% rahoituksestaan, mikä rampauttaisi kulta-aikaansa elävän gravitaatioaaltojen kokeellisen tutkimuksen maailmanlaajuisesti.

Kasvaako autoja maasta?

26.11.2025 klo 00.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kurssillani Fysiikkaa runoilijoille esittelen fysiikkaa ei-luonnontieteilijöille. Monille kurssin kävijöille luonnontieteellinen lähestymistapa on vieras ja kiehtova, koska fysiikan ajattelutapa ja käsitteet poikkeavat siitä mikä on ihmistieteistä tuttua. (Ks. myös edellinen merkintä Frankensteinista.)

Tutkimus on osoittanut, että todellisuus on erilainen kuin mitä kukaan ennen fysiikkaa osasi kuvitella. Maailmassa on monia piirteitä, jotka eroavat suuresti arkikäsityksistämme. Jo kurssin alkupuolella se, että suppea suhteellisuusteoria osoittaa ajan, samanaikaisuuden ja kappaleiden pituuksien riippuvan liikkeestä voi tuntua vaikealta hyväksyä. Tässä yhteydessä siteeraan luennoilla filosofi Ludwig Wittgensteinia:

On aivan varma, että autoja ei kasva maasta. – Meistä tuntuu, että jos joku voisi uskoa päinvastaista, hän voisi uskoa kaiken, minkä me leimaamme mahdottomaksi ja kiistää kaiken, mitä me pidämme varmana.
           Mutta miten tämä yksi usko on yhteydessä kaikkiin muihin? Tekisi mielemme sanoa, että se, joka voi uskoa tuon, ei hyväksy koko todentamisjärjestelmäämme.

Lainaus on kirjasesta nimeltä Varmuudesta, missä on julkaistu Wittgensteinin viimeisinä elinvuosinaan 1949-51 kirjaamia pohdintoja tiedosta ja totuudesta, jotka ovat lähellä luonnontieteellistä ajattelua.

Muuten myös Kari Enqvist pitää Wittgensteinin kirjoituksista, erityisesti Varmuudesta-tekstistä. Enqvistin mukaan Wittgenstein viipyilee kaikkialla hänen kirjansa Kangastuksia varjojen talossa – Todellisuutta etsimässä rivien väleissä. Lienee syytä mainita sekin, että filosofi ja Wittgenstein-asiantuntija Thomas Wallgren on kyseenalaistanut sen, missä määrin nämä julkaisemattomat muistiinpanot kuvaavat Wittgensteinin ajatuksia – mutta fyysikoiden ajatuksia ne ainakin kuvaavat.

Wittgenstein tarjoaa esimerkiksi järjettömästä väitteestä sen, että autoja kasvaa maasta. (Hänellä on muitakin hauskoja esimerkkejä.) Väite on ristiriidassa monen havainnon ja teorian kanssa: maata kaivaessa ei löydy valmisteilla olevia autoja, emme ole nähneet laitteiden kasvavan maasta, se on vastoin teoreettisia käsityksiämme autojen valmistuksesta, ja niin edelleen.

Väite ei ole järjetön minkään yksittäisen seikan takia, vaan se on ristiriidassa kokonaisuuden kanssa, jonka yksityiskohdat kietoutuvat toisiinsa tavalla, jota emme ajattelussamme erittele. Jos väite olisi totta, niin melkein kaikki tietomme teknologiasta, historiasta ja kanssaihmisistä olisi väärin. Mikään perustelu sille, että autoja kasvaa maasta ei voi olla vakaammalla pohjalla kuin nämä käsityksemme. Niinpä siihen, että autoja kasvaa maasta voi uskoa vain jos hylkää järkeen perustuvan päättelyn – ja silloin voi uskoa mihin tahansa.

Asian voi muotoilla myös niin, että väite ”autoja ei kasva maasta” on järkevän epäilyn ulkopuolella. Epäilyn täytyy aina pohjautua johonkin: jokin asia vaikuttaa epävarmemmalta kuin muut mihin sitä verrataan. (Wittgensteinin sanoin: ”Loputon epäily ei ole edes epäilyä.”) Wittgensteinin mukaan lopulta perustelu jollekin asialle ei palaudu yhteen varmaan seikkaan, vaan toisiaan tukevien asioiden kokonaisuuteen.

Fysiikassa on paljon väitteitä, jotka ovat järkevän epäilyn ulkopuolella: Maa on pyöreä, Aurinkoa kiertää monta planeettaa, maailmankaikkeus laajenee, ihmiset koostuvat atomeista. Nämä väitteet koskevat havaintoja, mutta ne ovat mielekkäitä vain jonkin teorian puitteissa. Meillä pitää olla valmiiksi teoreettinen käsitys siitä, mitä ovat Maa, Aurinko, maailmankaikkeus, ihmiset ja atomit, ja toisaalta mitä pyöreys, kiertäminen, laajeneminen ja atomeista koostuminen tarkoittavat.

Havaintoja voikin sanoa todeksi tai epätodeksi vain jonkin teorian viitekehyksessä, koska niiden selittäminen ja ymmärtäminen riippuu teoriasta. Arjessa emme usein ajattele tätä, koska emme kiinnitä huomiota arkiajattelumme pohjana oleviin teorioihin. Mutta mitä yksityiskohtaisempiin havaintoihin mennään, sitä monimutkaisempia teoreettisia käsitteitä niihin liittyy, ja sitä todennäköisemmin ne kyseenalaistavat myös arkikäsityksemme pohjalla olevat teoriat, jotka pitää tällöin avata epäilyn kohteeksi.

Niinpä voi sanoa, että emme varmenna yksittäisiä havaintoja koskevia väitteitä, vaan teorioita. (Enemmän teorioiden varmentamisesta täällä ja täällä.) Kun sanomme, että suhteellisuusteoria pitää paikkansa, tarkoitamme että monet sen ennusteet ovat vastanneet havaintoja suurella tarkkuudella, ja odotamme että näin käy jatkossakin. Tähän liittyy myös se, että kilpailevien teorioiden vastaavat ennusteet eivät ole pitäneet paikkaansa. Toinen mahdollisuus on se, että muiden teorioiden ennusteet ovat havaintojen tarkkuuden puitteissa yhtä hyviä, mutta nämä teoriat ovat suhteellisuusteoriaa monimutkaisempia, eikä tälle ylimääräiselle monimutkaisuudelle siis ole havainnoista tukea.

Kun sanomme, että suhteellisuusteoria pitää paikkansa, emme tarkoita että mikään havainto ei koskaan voisi olla ristiriidassa sen kanssa. Jos suhteellisuusteorian ennusteiden vastainen havainto varmistetaan, niin se rajaa teorian pätevyysaluetta. Pätevyysalueellaan suhteellisuusteoria edelleen pitäisi paikkansa, tietyllä tarkkuudella. Vastaavasti 1600-luvulla kehitetty klassinen mekaniikka pitää vieläkin paikkansa omalla pätevyysalueellaan, jonka rajat suhteellisuusteoria ja kvanttifysiikka määrittävät.

Wittgensteinin autoesimerkki nostaa keskiöön tavan, millä asioita osoitetaan todeksi. Tähän liittyy myös se, että jokin asia voi olla totta ja jopa järkevän epäilyn ulkopuolella, vaikka se olisi ristiriidassa arkiajattelun kanssa, jos sen perustelut ovat vankemmat kuin ne mitä meillä on arkikokemuksellemme.

Monet fysiikan väitteet ovat tällaisia. Ne eivät muutu sitä epävarmemmiksi mitä kauemmas siirrytään arjen piiristä – pieniin tai isoihin etäisyyksiin, varhaisiin aikoihin tai isoihin nopeuksiin. Tämä johtuu siitä, että fysiikan väitteet eivät rakennu toistensa päälle kuin torni, vaan ne muodostavat verkon, jonka uusien kohtien vahvistaminen lisää myös aiempien varmuutta.

Se että perustelujen seuraaminen vaatii erikoistunutta tietoa, jonka hankkimiseen menee vuosia ei tee niistä epävarmempia, koska tutkijoita on paljon ja he toimivat avoimesti, kilpaillen ja yhteistyötä tehden.

Kun jokin väite on uusi tai poikkeuksellisen monimutkainen eikä tutkijoiden yhteisö ole vielä ehtinyt käydä sitä läpi, siihen kyllä liittyy tällaista epävarmuutta. Tämä näkyy suurissa julistuksissa, joita on sittemmin peruttu, esimerkkinä OPERA-kokeen valoa nopeammat neutriinot ja BICEP/Keck-kokeen gravitaatioaallot. Fysiikassa eri väitteillä onkin hyvin erilainen varmuus (mikä valitettavasti usein tiedeuutisoinnissa hukkuu): osalle ei ole mitään tukea, monista meillä on kohtuullinen varmuus ja kohtuullinen epäily, ja jotkut ovat järkevän epäilyn ulkopuolella.

Onko väite, johon uskominen on järjetöntä sitten varmasti väärin? Wittgenstein vertaa järkevän epäilyn tuolla puolen olevia asioita jähmettyneeseen joenuomaan ja epäilyksenalaisia asioita siinä liikkuvaan veteen. Hän kuitenkin toteaa, että ajatusten joenuoma voi siirtyä paikaltaan ja vesi jähmettyä, niin että aiemmin järjettömänä olleesta tuleekin järkevää ja epäillystä varmaa.

Esimerkiksi on mahdollista, että kaikki käsityksemme maailmasta ovat väärin, koska elämme tietokonesimulaatiossa eikä maailmankaikkeuttamme ole olemassa. (Matrix-elokuvat ovatkin tehneet ideasta tunnetun populaarikulttuurissa.) Väite ei ole loogisesti mahdoton, eikä se ole ristiriidassa minkään havaintojen tai varmennettujen teorioiden kanssa, eikä tule koskaan olemaankaan. On mahdollista, että maailma on luotu 6 000 vuotta sitten tai 15 minuuttia sitten, valmiiksi vanhana muistojen kanssa. On mahdollista, että sinä lukija olet ainoa ihminen, ja kaikki muut ovat androideja, jotka teeskentelevät ihmisiä sinua huijatakseen. On mahdollista, että autoja kasvaa maasta.

Kaikki tämä ja moni muu asia on mahdollista, ja voi kuvitella havaintoja, jotka antaisivat tukea näille väitteille. Tämä ei ole ristiriidassa sen kanssa, että on järjetöntä uskoa mihinkään niistä, kuten on järjetöntä epäillä sitä, että suhteellisuusteoria pitää paikkansa.

Aloittaa täysin alusta

17.11.2025 klo 23.12, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kurssini Fysiikkaa runoilijoille alussa puhun siitä, mitä fysiikka (tai laajemmin luonnontiede) on. En luennoilla juuri käsittele tieteen kulttuurihistoriaa, mutta en ole malttanut jättää siteeraamatta Mary Shelleyn vuonna 1818 ilmestynyttä goottilaista romaania Frankenstein eli moderni Prometheus. Kirjan nimihenkilö Victor Frankenstein on nuorena uppoutunut alkemistien ja okkultistien kirjoituksiin, ja esittelee yliopistoon päästyään ylpeänä tietojaan. Professori vastaa:

Jokainen minuutti, […] jokainen hetki, jonka olette haaskannut noihin kirjoihin on täysin ja kokonaan hukattu. Olette kuormittanut muistianne jyrätyillä järjestelmillä ja hyödyttömillä nimillä. Hyvä luoja! Missä autiomaassa olette elänyt, missä kukaan ei ollut tarpeeksi ystävällinen kertoakseen, että nämä kuvitelmat joita olette niin ahneesti nauttinut ovat tuhat vuotta vanhoja, ja yhtä homeisia kuin ovat muinaisia? […] Hyvä herra, teidän täytyy aloittaa opintonne täysin alusta.

Tässä tiivistyy eräs fysiikan oleellinen piirre, jonka sisäistäminen tekee Mary Shelleyn teoksesta modernin ajan lipunkantajan: fysiikka on historiaton tiede. Ensinnäkin siksi, että uudet paikkansapitävät teoriat sisältävät edeltäjistään kaiken mikä niissä pitää paikkansa (eli mikä on niiden pätevyysalueella). Toisekseen siksi, että on merkityksetöntä, kuka päätyy löytämään teorian tai minkä ideoiden perusteella se löytyy. Teorian ensimmäiseksi esittäneen mielipiteillä ei ole mitään merkitystä teorian oikeellisuuden kannalta, sen määrää suhde havaintoihin.

Niinpä fysiikkaa edeltävillä ideoilla maailmasta ei ole fysiikan kannalta merkitystä. Tämä oli 1600-luvun luonnontieteellisen vallankumouksen murros. Luonnontieteellisen ajattelun keskeisiin kehittäjiin kuulunut Francis Bacon oli suorastaan vihamielinen perinteisiä filosofisia pohdintoja kohtaan.

Toisaalta myöskään vanhoja fysiikan tekstejä ei tarvitse tuntea: fyysikot eivät lue Isaac Newtonin tekstejä ymmärtääkseen klassista fysiikkaa eivätkä käy läpi Albert Einsteinin kirjoituksia oppiakseen suhteellisuusteoriaa. Myöhemmät tutkijat ovat hahmottaneet nämä teoriat niiden löytäjiä paremmin ja ilmaisseet ne selkeämmin.

Scifikirjailijat Brian Aldiss ja David Wingrove argumentoivat historiikissaan Trillion Year Spree: The History of Science Fiction sen puolesta, että Frankenstein on ensimmäinen scifikirja. Siinä ihmeitä ei tehdä okkultismin tai uskonnon avulla, vaan tieteellisten periaatteiden ja kokeiden kautta. Lisäksi kirjoitusten muinaisuus ole enää arvon tae, vaan päinvastoin osoitus hyödyttömyydestä: totuus löytyy uusista teorioista ja kattavista kokeista. Christopher Marlowen 1500-luvun lopulla kirjoittama tohtori Faustus tekee ihmetekoja muinaisten kirjojen avulla kutsumiensa henkien kautta ja Jumala rankaisee, mutta Mary Shelleyn 1800-luvun alun Frankenstein on itse vastuussa sekä saavutuksistaan että epäonnistumisestaan, eikä kukaan muu häntä tuomitse.

Suurin osa Frankenstein-kirjan sovituksista (sikäli kun eivät täysin sivuuta kirjan teemoja) keskittyvät kirjan toiseen keskeiseen aiheeseen, siihen että ihmiset kehittyvät sellaiseksi kuin miten heitä kohdellaan ja vastuun kantamiseen teoistaan. Mary Shelley heijasteli tässä sekä aikansa uusia ajatuksia lasten kasvattamisesta että orjuuden arvostelua.

Myös Guillermo del Toron tuore elokuva (joka lienee Suomessa jo kadonnut teattereista mutta on katsottavissa Netflixissä) keskittyy vastuuseen. Elokuvassa tosin viesti siitä, että vastuuton kasvatus synnyttää hirviöitä jää hieman hämäräksi, koska Frankensteinin luomuksesta ei siinä tule murhaajaa saamastaan kohtelusta huolimatta, vaan hänestä on tehty syytön uhri.

Mutta vielä enemmän elokuva eroaa alkuteoksesta mitä tulee luonnontieteeseen. del Toron Frankenstein perustaa työnsä pseudotieteeseen qi-energiasta ja hänen käyttämänsä sähköä johtavat neulat viittaavat akupunktio-pseudotieteeseen. (del Toro tuntee elokuvahistorian, ja qi olla kaikuja Kenneth Branaghin vuoden 1994 elokuvaversiosta, missä se jostain syystä sekoitettiin soppaan.)

Lisäksi del Toro alleviivaa Frankensteinin hybristä tämän astuessa Jumalalle varatulle elämän luomisen alueelle, ja hänen kohtalonsa voi nähdä seurauksena tästä. Malli periytyy antiikin Kreikan tarinoista, missä kuolevaiset (ja muutkin eläväiset) kohtaavat mitä epämiellyttävämpiä rangaistuksia uskallettuaan asettua jumalten veroiseksi. (Elämän luomista pidettiin muuten 1800-luvun alkupuolella uskonnollisesti niin kyseenalaisena, että olennon syntykohtausta, joka on sittemmin nostettu elokuvien keskiöön, ei uskallettu pistää teatterin lavalle.) Mary Shelleyn kirjassa Jumalalla ja yliluonnollisilla elementeillä ei ole sijaa, ja romaanin alaotsikko viittaa jumalten rangaistukseen vain vertauskuvana, yhdistäen ristiriitaiset sanat moderni ja Prometheus.

Mary Shelleyn kirja kyseenalaistaa miehisen neron myyttiä, mutta samalla heijastelee romantiikan ja gotiikan intohimoista ihmiskäsitystä. Fyysikoilla onkin usein romanttinen kuva alastaan: kurssin Fysiikkaa runoilijoille nimi (jonka perin Kari Enqvistiltä) leikittelee tällä kuvastolla.

Mutta vaikka yksittäisillä tutkijoilla voi olla merkittävä vaikutus fysiikassa, he ovat osa tiedeyhteisöä, ja tutkimus on yhteisöllistä toimintaa, ei irrallista vaellusta. Erityisesti tämä korostuu kokeellisessa fysiikassa. Jo Francis Bacon vertasi yhtäältä filosofisten pohdintojen edistyksen puutetta ja toisaalta laivanrakentamista, mikä saavutti paljon ja kehittyi paremmaksi, kun isot ryhmät tekivät järjestelmällisesti yhteistyötä.

Mary Shelleyn Frankenstein tekee läpimurtonsa yksin – del Toron elokuvaversiossa on suorastaan omituista, minne laboratorion rakentajat ja koneinsinöörit ovat kadonneet, kun tulee aika käyttää teollisen mittakaavan laitteita. Frankensteinin synnyttämässä nykyfiktiossa tieteen tämäkin puoli on mukana: tuntuisi oudolta, jos Jurassic Park -elokuvissa sankaritutkija kloonaisi dinosauruksia yksin kellarissa.

Kenties on yllättävää, että luonnontieteen keskeiset oivallukset saavuttivat kirjallisuuden noin 150 vuotta myöhässä, ehkä se vain kuvaa uskonnollisten rajoitusten vaikutusta yhteiskunnassa. Nykyään scifi on yleinen fiktion genre, ja ihmiskunnan kyky luoda itse tulevaisuutensa sekä kyvyttömyys ottaa vastuuta teknologian seurauksista on päivittäisen keskustelun aihe. Samalla huoli liiallisesta uskosta omien kätten töihin voi yhdistää uskonnolliset ja uskonnottomat ajattelijat.

Muuri toisensa jälkeen

30.10.2025 klo 15.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kesäkuussa sanoin blogin kommenteissa kirjoittavani kosmisesta neutriinotaustasta, nyt viimein lunastan lupauksen.

Mistä maailmankaikkeus koostuu? Jos katsotaan energiatiheyttä, niin 70% on (kenties) pimeää energiaa ja 25% pimeää ainetta. Loput 5% on tavallista ainetta, siis protonien ja neutronien muodostamia atomiytimiä sekä elektroneja. Muiden hiukkasten eli fotonien (valohiukkasten) ja neutriinoiden osuus on vain kymmenestuhannesosan luokkaa.

Mutta jos katsotaan massan sijaan lukumäärää, kaikkeus näyttää erilaiselta. Pimeä energia (jos sitä on) tuskin koostuu hiukkasista, ja pimeän aineen hiukkasten (tai isompien klimppien kuten ehkä mustien aukkojen) massaa emme tiedä. Jos keskitytään siihen mitä on niiden lisäksi, niin maailmankaikkeus koostuu lähinnä valosta ja neutriinoista.

Fotoneita ja neutriinoita on noin miljardi kertaa niin paljon kuin elektroneja ja atomiytimiä. Fotoneita on 410 kappaletta per kuutiosenttimetri. Pieni osa niistä on syntynyt tähdissä ja muualla maailmankaikkeuden myöhäisinä aikoina, mutta ylivoimainen enemmistö on muinaista perua.

Maailmankaikkeuden varhaisina aikoina kaikki tuntemamme hiukkaset kimpoavat toisistaan koko ajan. Kun maailmankaikkeus laajenee, hiukkaskeiton tiheys ja lämpötila laskee, ja tämän takia jossain vaiheessa hiukkaset eivät enää törmäile. Valon kohdalla tämä tapahtui maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuoden ikäinen: siitä pitäen fotonit ovat kulkeneet vapaasti.

Nämä vanhat fotonit tunnetaan nimellä kosminen mikroaaltotausta. Ne kantavat paljon tietoa siitä millainen maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden iässä ja mitä on tapahtunut sen jälkeen. Kosminen mikroaaltotausta on yksi kosmologian merkittävimpiä havaintokohteita. Koska fotonit poukkoilivat aineesta ennen valon ja aineen irtoamista, maailmankaikkeus oli ennen läpinäkymätön. Kun katsomme kauemmas paikassa näemme varhaisempiin aikoihin, koska valo kulkee äärellisellä nopeudella, mutta 380 000 vuoden iässä vastaan tulee kosminen mikroaaltotausta, jonka taakse ei näe valon avulla.

Neutriinoiden tilanne on toinen. Neutriinot eivät tunne sähkövarauksia, ainoastaan heikon vuorovaikutuksen. Siksi ne lopettivat törmäilemisen muuhun aineeseen paljon varhemmin kuin fotonit: maailmankaikkeudesta tuli neutriinoille läpinäkyvä sekunnin iässä. Siitä pitäen ne ovat matkanneet avaruuden halki ja aineen läpi, ja nämä muinaiset neutriinot tunnetaan nimellä kosminen neutriinotausta.

Neutriinoja on vaikea havaita samasta syystä kuin miksi niiden avulla näkee varhaisiin aikoihin: ne vuorovaikuttavat heikosti pienillä energioilla. Hiukkaskiihdyttimissä on kyllä tuotettu ja mitattu neutriinoita, ja kokeilla kuten etelänavan jään alla sijaitsevalla IceCubella on havaittu avaruudesta tulevia neutriinoita. Näiden neutriinoiden nopeus on hyvin lähellä valonnopeutta ja energia hyvin iso, ja siksi ne vuorovaikuttavat voimakkaammin.

Kosmisen neutriinotaustan neutriinot liikkuvat hitaammin, ja niiden tilanne on sama kuin pimeän aineen: niiden gravitaatiovaikutus on mitattu, mutta yhtäkään hiukkasta ei ole havaittu. Kosmisesta mikroaaltotaustasta voi lukea, kuinka nopeasti avaruus laajeni 380 000 vuoden iässä, ja neutriinojen osuus näkyy siinä selvästi: tuolloin 10% energiatiheydestä oli neutriinoissa. Niiden vaikutus näkyy myös maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenteessa.

Kosmisen neutriinotaustan havaitsemiseksi suoraan on ehdotettu samantyyppistä koetta kuin millä etsitään pimeää ainetta: seurataan laboratoriossa sopivaa koekappaletta ja katsotaan koska siihen törmää neutriino. Toisin kuin pimeän aineen tapauksessa, tiedämme neutriinojen lukumäärän (340 kuutiosenttimetrissä) ja suunnilleen massankin, eli osaamme sanoa tismalleen mitä niiden havaitsemiseen vaaditaan.

Suunnitellun PTOLEMY-kokeen periaate on yksinkertainen. Tehdään koepala tritiumista (eli aineesta, jonka atomiytimissä on yksi protoni ja kaksi neutronia). Kun tritium-ytimeen törmää neutriino, yksi sen neutroneista muuttuu protoniksi, ja samalla syntyy yksi elektroni. Tuon elektronin voi havaita.

Sen varmistamiseksi, että elektroni on tosiaan syntynyt neutriinon törmäyksessä tarvitaan laite, joka pystyy mittaamaan erittäin pieniä energiaeroja. Ja koska neutriinot vuorovaikuttavat niin heikosti, tritiumia tarvitaan paljon, noin 100 g. Gramma tritiumia maksaa 30 000 euroa, eli 100 g maksaa 3 miljoonaa euroa. Tämä ei ole fysiikan kokeiden budjetissa valtava summa. Tritium on erittäin radioaktiivista, joten sen käsittely suurissa erissä vaatii erityisiä järjestelyitä, kuten myös sen varmistaminen, että ainetta ei joudu harhateille. Tritiumia nimittäin käytetään myös ydinaseissa, noin 4 grammaa yhdessä ydinkärjessä.

Mitä kosmista neutriinotaustaa mittaamalla sitten oppisi? Neutriinoilla ei ole yhtä monimuotoisia vuorovaikutuksia tavallisen aineen kanssa kuin fotoneilla, joten niissä ei ole ääniaaltoja, toisin kuin fotonien ja elektronien keitossa. Siltä osin neutriinotaustassa on vähemmän tietoa.

Mutta neutriinojen massa ei ole nolla, toisin kuin fotonien. Varhaisina aikoina neutriinot liikkuvat lähes valonnopeudella. Avaruuden venyessä niiden nopeus kuitenkin laskee. Jossain vaiheessa neutriinoiden nopeus on pudonnut niin paljon, että ne jäävät galaksien ja muiden tavallisen aineen klimppien gravitaation vangiksi. Niinpä kosmiseen neutriinotaustaan jää rakenteista vahvemmat jäljet kuin kosmiseen mikroaaltotaustaan. Silläkin, että neutriinoja on kolme erilaista jotka muuttuvat toisikseen voi olla kiinnostavia jälkiä.

Yksityiskohtien erottaminen vaatii kuitenkin tarkempia mittauksia kuin pelkkä taustan havaitseminen. Tämä pitää paikkansa myös kosmiselle mikroaaltotaustalle. Se havaittiin vuonna 1965, mutta sen epätasaisuudet erotettiin vasta vuonna 1992. Neutriinotaustan epätasaisuuksien mittaamiseksi pitää havaita enemmän neutriinoita eri suunnista. Koska havaintoaikaa ei voi juuri kasvattaa (tritiumin puoliintumisaika on 12 vuotta, eli se hupenee nopeasti), tritiumia tarvitaan enemmän, peräti 10 kg. Sen hinta nykypäivänä olisi 300 miljoonaa euroa.

Tämä on huomattava osuus koko maailman sotilaallisen käytön ulkopuolella olevasta tritiumista. Jos fuusioreaktorit pääsevät kaupalliseen tuotantoon (mikä on epäselvää), niitä varten tosin pitänee joka tapauksessa valmistaa paljon tritiumia, joten sen hinta saattaa laskea. Selvää kuitenkin on, että kosmisen neutriinotaustan epätasaisuuksien mittaaminen ei ole aivan lähitulevaisuuden hanke, ja siihen ehkä tarvitaan toisenlainen idea ja uutta teknologiaa.

Mutta neutriinotaustan mittaaminen ilman epätasaisuuksiakin avaisi meille suoran näkymän sekunnin ikäiseen maailmankaikkeuteen, ja saisimme täsmällisen mittauksen neutriinoiden lukumäärästä. Neutriinot ovat hiukkasfysiikan Standardimallin huonoimmin tunnettu osa, ja niillä voi olla yllätyksiä hihassaan.

Neutriinojen avulla näkee ohi kosmisen mikroaaltotaustan muurin, mutta niillä tulee muuri vastaan sekunnin kohdalla. Voiko sen läpi päästä – eli voimmeko nähdä ensimmäistä sekuntia varhaisempiin aikoihin? Tunnetuista hiukkasista neutriinojen vuorovaikutukset ovat heikoimpia, eli ne pääsevät ensimmäiseksi matkaamaan vapaasti. Mutta syvemmälle menneisyyteen voi nähdä mittaamalla kosmisen gravitaatioaaltotaustan.

Gravitaatioaallot vuorovaikuttavat niin heikosti, että ne matkaavat meille esteettä maailmankaikkeuden koko historian ajalta, aina teorioidemme rajalle asti. Vastaavasti kosmisen gravitaatioaaltotaustan suora havaitseminen on vielä vaikeampaa kuin kosmisen neutriinotaustan: siihen tuskin pystytään millään tällä hetkellä nähtävissä olevassa teknologialla.

Kosmisen gravitaatioaaltotaustan voi kuitenkin kenties havaita epäsuorasti, kuten kosmiselle neutriinotaustalle on jo tehty. Toistaiseksi tässä ei ole onnistuttu, yrityksistä huolimatta, mutta se on yksi nykyisten ja seuraavan sukupolven kosmisen mikroaaltotaustan kokeiden tärkeimmistä tavoitteista.

---

Totuuden jälkeinen aika Yliopisto-lehdessä

24.10.2025 klo 15.42, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Yliopisto-lehdessä on julkaistu kirjoitukseni siitä miksi on vaarallista, että lehti puolustaa tiededenialismia. Kirjoituksen alkuperäinen otsikko on yllä, Yliopisto-lehti muutti sen muotoon ”Väärä suunta”. Kirjoitus on luettavissa täällä (lehden sivu 59). Kirjoitin aiheesta aiemmin täällä ja täällä.

Samalla sivulla lehti julkaisi fysiikan filosofiasta väitelleen Tarja Kallio-Tammisen kirjoituksen, missä hän esiintyy filosofien edustajana ja esittää vaihtoehdoksi nykyiselle kokeellisesti varmennetulle fysiikalle ”nollaenergiatasapainoon perustuvaa kaiken teoriaa, jossa ihmisenkin toiminta on osa sykkivää maailmanjärjestystä”. Tämän valossa ei vaikuta mahdottomalta, että Helsingin yliopiston lehti julkaisisi puolustuspuheita Maan litteydestä.

Kirjoitukseni koko teksti:

Yliopisto-lehdessä 5/2025 esiteltiin Tuomo Suntolan ajatuksia suhteellisuusteoriasta kuin ne olisivat fysiikkaa. Arvosteltuani tätä päätoimittaja vastasi numeron 7/2025 pääkirjoituksessa, että Suntolan ideat haastavat vallitsevaa teoriaa ja voivat olla oikein koska ”totuus muuttuu”.

Suntolan ideat suhteellisuusteoriasta eivät ole fysiikkaa. Niissä on alkeellisia virheitä, mikään alan lehti ei ole hyväksynyt niitä julkaistavaksi, eikä yksikään alan tutkija ota niitä vakavasti. Suntolan ajatuksilla suhteellisuusteoriasta on yhtä vähän merkitystä fysiikalle kuin huuhaalla Maapallon litteydestä maantieteelle.

Miksi Yliopisto-lehti antaa niille tilaa?

Ehkä toimituksessa kiistetään, että on olemassa mielipiteistä riippumaton totuus. Teoriat muuttuvat ja käsityksiä kumotaan, mutta voimme silti saada selville asioita, joita ei voi järkevästi epäillä. Manner-Ahvenanmaa on saari. HIV aiheuttaa AIDSia. Merkurius liikkuu suurella tarkkuudella kuten suhteellisuusteoria ennustaa.

Tai sitten lehdessä ei ymmärretä, että asia voi olla järkevän epäilyn ulkopuolella, vaikka ei ole arkijärjen piirissä. Tähän viittaa se, että lehti on esitellyt myös Arto Annilan hölynpölyä fysiikkana, sivuuttaen fyysikoiden kommentit.

On vaarallinen suunta, että Yliopisto-lehti kieltäytyy korjaamasta kurssia asiantuntijoiden palautteen perusteella ja puolustaa pseudotiedettä.

Nykyään sanotaan yhä kovempaan ääneen, ettei tutkittu tieto ole arvokkaampaa kuin arkijärki. Suomessa hallituspuolueen edustajat haluavat kontrolloida tiedettä mielipiteidensä pohjalta, Yhdysvalloissa näin jo tehdään. Tiededenialismilla on vakavia seurauksia. Ihmisten toiminnan ja ilmastonmuutoksen –kuten HIVin ja AIDSin– yhteyden kiistäminen on aiheuttanut mittaamatonta kärsimystä, ja historian vääristelyllä on synkät jäljet.

Nyt tieteen kiistäjät voivat viitata Yliopisto-lehteen esimerkkinä siitä, miten varmimmankin tiedon voi ohittaa sanomalla ”totuus muuttuu”, alan tutkijoista välittämättä.

Raportteja edistyksestä

22.10.2025 klo 22.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin viime viikolla kahdessa ranskalaisessa konferenssissa, tässä niistä joitakin poimintoja. Alkuviikosta oli Ranskan gravitaatioaaltotutkijoiden vuosittainen tapaaminen. Vuonna 2016 julkistettu ensimmäinen suora havainto gravitaatioaalloista aloitti uuden aikakauden tähtitieteessä ja kosmologiassa, ja Ranskassa tutkitaan niitä paljon.

Konferenssi oli jaettu osiin, missä työryhmät raportoivat edistyksestä kullakin suunnalla. Tämä on järjestelmällisempää kuin kosmologian konferensseissa, joissa yleensä käyn, missä teoreetikot kuten minä kertovat kaikenlaisista ideoista. Yksi työryhmien aihe oli pitkät ja huolelliset laskut kappaleiden välisestä gravitaatiosta, mistä kirjoitin viime kuussa, ja joita tarvitaan gravitaatioaaltohavaintojen tulkitsemiseen. Työ muistuttaa kokeellisen hiukkasfysiikan tueksi tehtyjä laskuja monimutkaisuuden ja huolellisuuden puolesta. Puhuin itse varhaisessa vaiheessa olevasta ja vähemmän täsmällisistä laskuista siitä miten hiukkaset vaikuttavat gravitaatioaaltojen kulkuun (olen aiemmin käsitellyt niiden vaikutusta valon kulkuun)

Raportit pitkistä laskuista ja vaaditusta tarkkuudesta tuovat mieleen sen, miten ennen tietokoneita laskettiin planeettojen ratoja käsin palanen kerrallaan. (Monet näitä keskeisiä laskuja tehneistä tutkijoista olivat naisia, joita ei sukupuolensa takia päästetty korkeampiin asemiin.) Kenties tulevaisuudessa myös tarkempien korjausten laskeminen hiukkasfysiikassa yleisessä suhteellisuusteoriassa pystytään automatisoimaan, kuten ratalaskut nykyään.

Myös mahdollisten signaalien ennustamisessa on vielä paljon työtä. Yksi viime vuosien suuria uutisia on se, että pulsareiden avulla on (luultavasti) havaittu gravitaatioaaltoja, joiden lähteestä ei ole varmuutta. Suoraviivaisin selitys on galaksien keskustoissa toisiaan kiertävät jättimäiset mustat aukot – kertoo jotain ymmärryksemme laajuudesta, että tämä on arkisin selitys. Muitakin mahdollisuuksia, kuten kosmisia säikeitä, on ehdotettu. Mutta sen perusteella, mitä konferenssissa kerrottiin signaalin analysoimisesta ja siinä vielä olevista epävarmuuksista, tällaiset signaalin tulkinnat vaikuttavat ennenaikaisilta. Pian asiasta saataneen tarkka selko.

Kokeellisten löytöjen takana on monien tutkimusryhmien huolellinen työ, eikä ole selvää mihin suuntaan mennään. Tiede ei etene yksinkertaista kysymys-vastaus-polkua pitkin, vaan matka haarautuu eri suuntiin.

Mustien aukkojen lisäksi neutronitähdet ovat toinen kohde, joiden törmäysten lähettämiä aaltoja on havaittu. Gravitaatioaaltojen avulla saadaan tietoa neutronitähtien rakenteesta, mutta sen mallintaminen on vaativaa puuhaa, eikä niiden eri kerroksista ole vieläkään varmuutta. Aihetta tutkitaan aktiivisesti myös Helsingissä. Neutronitähtien ymmärtämiseksi tarvitaan parempia mittauksia ja ymmärrystä ydinfysiikasta. Tämä on hieman huvittavaa, koska jonkun aikaa sitten teoreettista ydinfysiikkaa pidettiin jokseenkin kuolleena alana (tai alana, josta vakuutellaan, että se ei ole kuollut, mikä on sama asia), mutta nyt sitä taas tarvitaan tutkimuksen eturintamassa.

Yksi lähde, jonka gravitaatioaaltoja ei ole vielä havaittu, on supernovien räjähdykset. Supernovat ovat tähtiä, jotka elämänsä loppuvaiheessa romahtavat joko polttoaineen loputtua tai siksi, että naapuritähdestä virtaa niihin liikaa ainetta. Ne ovat kosmologiassa tärkeitä. Supernovat ovat antaneet yhden avaintodisteista maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisestä, ja ovat pääroolissa uusimmassa kosmologian kiistassa laajenemisnopeudesta. Noin 99% räjähdyksen energiasta vapautuu neutriinoina, prosentti valona ja sadasmiljoonasosa gravitaatioaaltoina. Tähtäimessä on tuon tuhannesmiljoonasosan havaitseminen, mutta tätä romahduksesta syntyvää signaalia ymmärretään toistaiseksi huonommin kuin mustien aukkojen törmäysten synnyttämiä gravitaatioaaltoja.

Vaikka kaikki kosmologian tutkimus on kansainvälistä, Ranskan tiedeyhteisö on niin iso, että se voi olla myös hieman sisäänpäin lämpiävä. Esimerkiksi yksi puhuja harmitteli, että neutronitähdissä tarvittavia ydinfysiikan mittauksia ei tehdä Ranskassa ollenkaan. Suomessa on selvää, että kansainvälisyys on edistyksen avain, ja vastaava tapaaminen ei olisi vain Suomen vaan kaikkien pohjoismaiden (ja Baltian maiden) kesken, millaisia olemmekin järjestäneet.

Viikon loppupuolella oli Ranskan gravitaatio- ja kosmologiatutkijoiden tapaaminen. Sielläkin mustat aukot ja gravitaatioaallot olivat paljon esillä, mutta näkökulma oli laajempi, ja mukana oli useita ideoita, joiden merkitys ei ole vielä selvä.

Yksi näistä on vaihtoehdot mustille aukoille. Nyt kun on sekä gravitaatioaaltojen että sähkömagneettisten aaltojen avulla yhä enemmän havaintoja mustista aukoista, tutkitaan yhä enemmän sitä, ovat ne todella sellaisia kuin mitä suhteellisuusteoria ennustaa – vai voisiko havainnot selittää jollain muilla kappaleilla.

Stephen Hawkingin yksi keskeinen saavutus oli maailmankaikkeuden alun selittäminen teoriassa, missä koko aika-avaruutta käsitellään kvanttifysiikan keinoin. Kuten Hawkingin muistokirjoituksessa mainitsin, ideaa ei ole varmennettu, eikä se ole päätynyt osaksi fyysikkojen työkalupakkia, osittain siksi että yhteys havaintoihin on puuttunut. Konferenssissa kerrottiin, että Hawkingin idean taustalla olevaa tapaa käsitellä aika-avaruutta on nyt sovellettu kosmiseen inflaatioon. Yleensä inflaatiossa käsitellään kvanttifysiikan keinoin vain pieniä värähtelyjä, eikä ole selvää onko oikein tehdä niin koko aika-avaruudelle. Yhdistämällä idea inflaatioon sitä voidaan verrata kosmisen mikroaaltotaustan ja ison mittakaavan rakenteen havainnoilla.

Hawkingin varmaankin merkittävin tieteellinen saavutus oli ennustus siitä, että mustat aukot säteilevät. Tämä Hawkingin säteily on liian heikkoa, jotta sitä pystyttäisiin mittaamaan todellisista mustista aukoista (ellei sitten pienistä muinaisista – jos niitä on olemassa). Mutta nesteissä on samanlaisia ilmiöitä kuin mustissa aukoissa. Jos neste virtaa nopeammin kuin mitä ääniaallot siinä kulkevat, ääni voi liikkua vain yhteen suuntaan. Tämä muistuttaa mustan aukon tapahtumahorisonttia, mistä voi kulkea vain sisään mutta ei tulla ulos. Tässäkin tapauksessa esiintyy Hawkingin säteilyä, joka on onnistuttu mittaamaan. Myös muita mustiin aukkoihin ja niille esitettyihin vaihtoehtoihin liittyviä ilmiöitä luodataan laboratoriokokeissa nesteiden avulla tavoilla mitä ei mustien aukkojen osalta ole mahdollista tehdä.

Menneisyydessä hiukkasfyysikkojen/kosmologien ja kiinteän olomuodon fyysikoiden (nimi kattaa myös nesteiden tutkimisen) välillä on ollut vastakkainasettelua, mutta yhteistyö yli rajojen kertoo kosmologian terveydestä ja kehityksestä. Hiukkasfysiikassa vuosikymmenten aikana saavutettu teoreettinen hienostuneisuus on jo tuotu kosmologiaan monien tutkijoiden siirryttyä kokeellisesti kuivuvalta alalta uusia havaintoja pursuavalle kentälle. Yhteistyö kiinteän olomuodon fyysikoiden kanssa on uudempaa, ja kosmologeilla lienee heiltä paljon opittavaa.

Konferenssissa huomasin myös miten vanhat tutut, jotka tekivät aiemmin teoreettista tutkimusta ovat siirtyneet lähemmäs havaintoja. Yksi syy on se, että havaintojen analysointiin ja siihen käytettävien matemaattisten työkalujen valmistamiseen tarvitaan paljon tutkijoita eli siinä on työpaikkoja. Mutta lisäksi havainnot tarjoavat uusia kiinnostavia ongelmia, joita määrittävät havainnot, eivät teoreetikkojen muotivirtaukset.

---

Jättiläisten synty

7.10.2025 klo 19.30, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehteen Rihveli 2/2025 supermassiivisista mustista aukoista, joiden syntyä minäkin tutkin. Artikkeli alkaa näin:

Monien galaksien ytimessä on jättimäinen musta aukko, eli tienoo jonka gravitaatio on niin vahva, että edes valo ei pääse pakoon. Kotigalaksimme keskustan mustan aukon massa on neljä miljoonaa Auringon massaa, ja monien galaksien keskusjättiläiset ovat tuhat kertaa raskaampia. Miten ne ovat syntyneet ja kasvaneet niin isoiksi? Kysymystä on tutkittu vuosikymmeniä, ja uudet havainnot ovat syventäneet arvoitusta.

Artikkeli on luettavissa täällä, koko lehden voi lukea tästä.

---

Yksityiskohtien merkitys

30.9.2025 klo 15.37, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Olen jälleen tutkimusvapaalla Helsingin yliopistosta. Syys- ja lokakuun olen vieraana Pariisissa École Normale Supérieuren fysiikan laitoksella. Samalla käyskentelen muuallakin Pariisissa kuuntelemassa ja pitämässä puheita. Tänään Clifford Will puhui Pariisin astrofysiikan instituutissa IAP siitä, riippuuko kappaleiden gravitaatio niiden sisäisestä rakenteesta.

Yleinen suhteellisuusteoria löydettiin vuonna 1915, ja sitä on testattu monella tapaa: valon ja kappaleiden liikkeillä Aurinkokunnassa, pyörivien neutronitähtien lähettämillä radiosignaaleilla, monilla kosmologisilla havainnoilla miljardien vuosien ajalta, ja viimeisimpänä gravitaatioaalloilla. Toistaiseksi teorian ennusteet ovat aina pitäneet kutinsa; kosmologiassa tosin on avoimia kysymyksiä, jotka saattavat selittyä suhteellisuusteorian puutteilla tai sitten jotenkin muuten, kuten maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden tarkka aikariippuvuus ja maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden mittauksiin liittyvät ristiriidat – kenties jopa maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen.

Will on yksi yleisen suhteellisuusteorian kokeellisten testien parhaita asiantuntijoita. Lukuisten tieteellisten artikkelien lisäksi hän on kirjoittanut aiheesta kaksi kirjaa, joista ensimmäinen on alan klassikko, sekä suurelle yleisölle suunnatun teoksen. Hän kertoi, että kun gravitaatioaaltokokeita LIGO ja Virgo suunniteltiin, koeryhmien jäsenet tulivat hänen luokseen kertomaan, kuinka paljon laskuja pitää parantaa, jotta saadaan ennustettua mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäyksissä syntyvien gravitaatioaaltojen muoto kokeiden vaatimalla tarkkuudella.

Will (ja monet muut tutkijat) ryhtyivät toimeen. Niin yleisessä suhteellisuusteoriassa kuin hiukkasfysiikassa laskujen monimutkaisuus ja niihin menevä aika kasvaa nopeasti tarkkuuden myötä. Tänään Will puhui laskusta, joka on niin työläs, että hän joutui luovuttamaan, mutta joka vihjaa outoon tulokseen.

Kyse on siitä, putoavatko kaikki kappaleet samalla tavalla. Ongelmaa tutki jo 1600-luvulla Galileo Galilei. Hän totesi kokeellisesti, että riippumatta kappaleiden koosta tai koostumuksesta ne kaikki putoavat samaa tahtia (kun ilmanvastuksen jättää huomiotta). Isaac Newtonin gravitaatioteoria selitti tämän sillä, että sekä kappaletta puoleensa vetävä gravitaatiovoima että voima joka kappaleen työntämiseen tiettyyn kiihtyvyyteen tarvitaan ovat verrannollisia kappaleen massaan. Mitä raskaampi kappale, sitä vaikeampi sitä on liikuttaa, mutta vastaavasti gravitaatio vetää sitä enemmän puoleensa.

Idea siitä, että kaikki kappaleet putoavat samalla tavalla oli keskeinen Albert Einsteinin pohdinnoissa, jotka johtivat hänet yleiseen suhteellisuusteoriaan. Se tunnetaan nykyään nimellä ekvivalenssiperiaate. Ekvivalenssiperiaate ei ole yleiseen suhteellisuusteoriaan sisältyvä oletus, vaan teorian piirre, joka pätee eri tarkkuudella eri tilanteissa.

Esimerkiksi Kuun ja Maan liikkeitä ei voi käsitellä ottamatta huomioon niiden rakennetta, koska ne ovat niin lähellä toisiaan, että massan jakaumalla on merkitystä. Kuu vetää voimakkaammin puoleensa Maapallon sitä puolta, joka on lähempänä ja heikommin kaukaisempaa. Tämä ilmiö on olemassa myös Newtonin gravitaatioteoriassa, ja selittää vuorovesien nousun ja laskun.

Yleiselle suhteellisuusteorialle erityistä on se, että kappaleiden pyöriminen vaikuttaa niiden gravitaatioon. Newtonin teoriassa ei ole tällaista ilmiötä, ja se on merkittävä vain isoilla pyörimisnopeuksilla. Vaikutus on Maalle mitätön (mutta kokeellisesti varmennettu), mutta mustille aukoille iso.

Sekä vuorovesivaikutukset että pyörimiseen liittyvä gravitaatio ovat kuitenkin pieniä silloin kun kappaleiden koko on pieni verrattuna niiden etäisyyteen tai kappaleet ovat hyvin pallomaisia. Niinpä vaikka Aurinkokunnan planeettojen liikkeitä laskettaessa ekvivalenssiperiaate pätee: planeettojen liike ei riipu niiden koostumuksesta eikä koosta, ne liikkuvat kuin pistemäiset kappaleet.

Newtonin teoriassa kappaleiden välinen gravitaatiovoima on täysin riippumaton niiden koostumuksesta (ja pyörimisestä) silloin kun ne ovat täysin pallomaisia. Yleisessä suhteellisuusteoriassa tämä tulos pätee vain suunnilleen, sitä tarkemmin mitä kauempana kappaleet ovat.

Tai näin Will (kuten muutkin asiantuntijat) luuli.

Will ja kumpp. laskivat 2000-luvun alussa gravitaatioaaltoennusteita varten kappaleiden liikkeitä yleisessä suhteellisuusteoriassa yhä tarkemmin. He löysivät yhtälöistä osia, joiden mukaan kappaleiden välinen gravitaatio riippuu niiden sisärakenteen yksityiskohdista, olivatpa ne miten kaukana tahansa ja vaikka ne olisivat pallomaisia.

Laskuissa pitää ottaa huomioon tuhansia termejä, ja Will oletti, että kun ne kaikki laskee yhteen, niin riippuvuus sisärakenteesta kumoutuu. Mutta mitä pidemmälle lasku eteni, sitä enemmän ja sitä erilaisempia tällaisia termejä löytyi, niin että oli yhä vaikeampi nähdä, miten ne voisivat kaikki kumoutua. Toisaalta monet yleisen suhteellisuusteorian tutkijat pitäisivät hyvin outona sitä, että kappaleen massajakauma vaikuttaisi sen gravitaatiokenttään mielivaltaisen kaukana, vaikka kappale olisi pallomainen.

Will alkoi huolestua siitä, että outoja termejä on niin paljon, että hänen jatko-opiskelijansa eivät valmistu ajoissa. (Puheessa Will sanoi, että termejä on niin paljon, että niitä ei saisi laskettua ennen kuin sekä hän että hänen jatko-opiskelijansa saapuisivat eläkeikään.) Niinpä Will luovutti: hän siirsi jatko-opiskelijat sellaisten ongelmien pariin, jotka voi ratkaista nopeammin ja pisti asian hyllylle.

Nyt 20 vuoden jälkeen Will on palannut huolehtimaan asiasta. Yksi motivaatio on gravitaatioaaltokokeiden yhä suurempi tarkkuus. Hänen laskemansa ilmiöt ovat suunnilleen yhtä isoja kuin nykyiset virherajat, eli niitä ei voi vielä testata, mutta seuraavan sukupolven laitteet pystyvät kenties varmistamaan ovatko ne todellisia, vai kumoutuvatko oudot termit kuitenkin. Vastaavasti tämä gravitaatioaaltojen muotoon vaikuttava lasku pitää ymmärtää tarkasti, jotta törmäävien neutronitähtien rakennetta voidaan tulevissa kokeissa mitata halutulla tarkkuudella.

Lähes 80-vuotias Will kertoi, että ei enää aio laskea niitä kaikkia lukuisia termejä mitä luotettavan ennustuksen tekemiseen tarvitaan. Hän ja hänen ryhmänsä teki työtä vanhaan tapaan, laskien termi kerrallaan. Will totesi, että koska näissä laskuissa ei tarvita hienovaraista ymmärrystä, ne sopivat hyvin algoritmien ratkaistavaksi, ja nuoremmat tutkijat voisivat laskea ne hyödyntämällä koneoppimista. Samantyyppisiä laskuja onkin jo kauan osittain automatisoitu hiukkasfysiikassa, koska kukaan ei voi laskea käsin esimerkiksi LHC–hiukkaskiihdyttimen havaintojen analysointiin tarvittavia kymmeniätuhansia termejä.

Muut ryhmät ovat laskeneet samoja vuorovaikutuksia erilaisilla menetelmillä. Toisin kuin Willin ryhmä, jonka lasku on kenties suoraviivaisin, ne ovat saaneet odotetun tuloksen, jonka mukaan kaukana toisistaan olevien kappaleiden välinen gravitaatio ei riipu niiden yksityiskohdista. Willillä kertoi oman ideansa siitä, mitä muut jättävät huomiotta, ja toiset asiantuntijat IAP:stä esittivät valistuneita arvauksia siitä, mikä voi mennä Willin laskussa pieleen. Vielä ei tiedetä, kuka on oikeassa.

Fysiikassa on paljon spekulaatioita ja ideoita siitä, millä tavalla tunnettuja teorioita voidaan laajentaa ja yleistää. Toisaalta varmennettujen teorioiden puitteissa tehdään huolellisia laskuja, joiden avulla teorian varmennettua pätevyysaluetta kasvatetaan, teorian yksityiskohtia ymmärretään paremmin, ja siitä löydetään uusia puolia testattavaksi. Niin yleisessä suhteellisuusteoriassa kuin myonin magneettisen momentin tapauksessa tarkemmat havainnot vaativat tarkempia ennusteita, ja kestää jonkun aikaa, ennen kuin laskujen yksityiskohdista päästään yhteisymmärrykseen. Tätä kehää pyörittää teknologian kehitys, joka tekee tämän päivän hienoimmista saavutuksista huomisen arkea, ja on sadan vuoden aikana kasvattanut havaintojemme laajuutta ja tarkkuutta enemmän kuin mitä kukaan vuonna 1915 olisi uskonut.