Ulos umpikujista

11.10.2021 klo 17.52, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehteen Rihveli 2/2021 artikkelin Ulos umpikujista kvanttifysiikan kehityksestä ja epämääräisestä todellisuudesta. (Artikkeli on vapaasti luettavissa linkin takana.) Kerron muun muassa näin:

Pitkään monet pitivät kvanttimekaniikan taustalla olevan todellisuuden pohtimista tuhoon tuomittuna touhuna. Kuten fyysikoiden fyysikko Richard Feynman totesi vuonna 1964: ”Älä kysy itseltäsi, jos vain voit välttää sitä, ”Miten voi olla näin?”, koska menet hukkaan ja joudut umpikujaan, josta kukaan ei ole paennut. Kukaan ei tiedä miten voi olla näin.”

Onneksi kaikki eivät uskoneet varoituksia, ja kvanttimekaniikan ymmärtämisessä on 1980-luvulta lähtien edistytty paljon.

11 kommenttia “Ulos umpikujista”

  1. ”…emme tiedä miksi arki näyttää yksinkertaiselta.”
    Tämä on hyvä kysymys. Arvelisin että vastaus löytyy enemmän aivojemme rakenteesta kuin fysiikasta. Aivomme ovat kehittyneet pitämään kantajansa hengissä luonnossa. Yksi niiden ominaisuuksista on että ne yksinkertaistavat aistihavaintoja aika paljon ennen kuin ne päätyvät tietoisuuteen. Tämä tapahtuu, koska tietoisuus on sarjamuotoinen prosessi, joka ylikuormittuisi jos tietoa tulisi enemmän. Yksinkertaistusprosessi on alitajuinen, joten emme pysty katsomaan tai muokkaamaan sitä kovin helposti.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Totta, mutta tässä viittaan yksinkertaisuudella siihen, että maailma näyttää määrätyltä eikä kvanttimekaanisen epämääräiseltä.

    2. Lentotaidoton sanoo:

      ”Arvelisin että vastaus löytyy enemmän aivojemme rakenteesta kuin fysiikasta”

      Ja aivojemme rakenneko ei olisi selitettävissä fysiikalla? Toki se ei (vielä) onnistu. Niinkuin ei ”onnistu” yleensäkään ”selittää” fysiikan kvanttimekaniikan epämääräisyyttä (koulukuntia toki on).
      Evoluution luomat aivot ovat triviaali selitys käyttäytymisellemme. Emme tarvitse elossa pysyäksemme tietoa aivojen kvanttimekaniikasta (vaikka se siellä alla häärääkin).

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Se miltä maailma näyttää riippuu myös siitä, mitkä hiukkaset tuon kuvan välittävät. Jos silmä käyttäisi havainnoimiseen elektroneja eikä fotoneja, niin maailma näyttäisi hyvin erilaiselta ja yksityiskohtaisemmalta. Fotonin aaallonpituus saa aikaan sen, että epämääräisyys aistimuksesta häviää.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kvanttimekaanisen epämääräisyyden puute arjessa ei selity sillä, että havaitsemme fotonien avulla.

  3. Cargo sanoo:

    Onko epämääräisyyttä yritetty liittää systeemin massaan? Tuli vaan taas nojatuolissa mieleen, että jos kaksoisrakokokeissa interferenssi vaimenee sitä mukaan kun hiukkasen/molekyylin massa kasvaa, niin eikös se ole selvä merkki siitä, että mitä suurempi massa niin sitä vähemmän hiukkanen voi epälokalisoitua. Ja voisi myös olettaa, että kasvava sidosenergia ilmentää tätä asiaa: kun protoni ja elektroni lähestyvät toisiaan, niin systeemi muuttuu vähemmän ja vähemmän epämääräiseksi. Suurissa systeemeissä on paljon vuorovaikutusta ja sen mukanaan tuomaa sidosenergiaa eli käytännössä massaa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä, tällaisia mahdollisuuksia muokata kvanttimekaniikkaa on tutkittu ja tutkitaan vieläkin. Olen kirjoittanut niistä hieman täällä:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/koopenhaminan-takana/

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kahden-ikkunan-nakoala/

  4. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Kaksoisrakokoe on tehty jopa C60-fullereenilla. Eikö delokalisaatio tarkoita, että molekyylin on hajottava, jos se ei mene kokonaan yhden raon kautta ja sitten raon jälkeen palaset taas liittyvät yhteen? Minä en usko tähän vaan fullereenimolkyyli kulkee jommasta kummasta raosta, mutta saa ympäröivän vakuumin interferoimaan.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Isoin kappale, jolla kaksoisrakokoe on tehty, on molekyyli, jossa on 2000 atomia.

      En tiedä mitä tarkoitat delokalisaatiolla. Kvanttimekaniikan mukaan maailma ei toimi kuvaamallasi tavalla.

      Tämä riittäköön tästä. Muistettakoon, että blogin kommenttiosio ei ole paikka omien fysiikan ideoiden esittelemiseen.

  5. Antti sanoo:

    avaako kvanttifysiikan energialait yhtään sitä sattumanvaraisuutta mistä nyt kirjotat?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En tiedä mitä tarkoitat ”kvanttifysiikan energialaeilla”, mutta tämä sattumanvaraisuus on kvanttimekaniikan lakien ytimessä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Taivas ei hohda pimeää

30.9.2021 klo 16.28, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kaikki näkemämme planeetat, tähdet, galaksit ja muut kappaleet koostuvat aineesta, eivät antiaineesta. Kun hiukkanen kohtaa antihiukkasensa, ne annihiloituvat eli muuttuvat toisiksi hiukkasiksi, usein fotoneiksi eli valoksi. Jos jotkut maailmankaikkeuden rakenteet koostuisivat protonien, neutronien ja elektronien sijaan niiden antihiukkasista, niin antiaineen ja tavallisen aineen rajalta näkyisi annihilaatiossa syntyvää korkeaenergistä säteilyä, mitä ei ole havaittu.

Syynä aineen ylivoimaan on se, että kaikki antiaine kului loppuun maailmankaikkeuden ensimmäisen kymmenen sekunnin aikana. Ainetta oli miljardisosan enemmän, ja näkemämme rakenteet koostuvat tuosta pienestä ylijäämästä –kosminen mikroaaltotausta taasen on enimmäkseen tuossa alkuaikojen annihilaatiossa syntynyttä valoa.

Näkymättömän aineen kohdalla tilanne voi olla toinen. Pimeäksi aineeksi on monenlaisia ehdokkaita, mutta pitkään suosituin oli WIMPpien (suomeksi siis nynnyjen) nimellä kulkevat hiukkaset.

Kuten näkyvä aine ja antiaine, varhaisessa maailmankaikkeudessa pimeä aine ja antiaine annihiloituvat. Kun maailmankaikkeus laajenee, aineen tiheys laskee. Jossain vaiheessa tiheys on niin pieni, että pimeän aineen hiukkaset eivät enää löydä toisiaan, ja annihilaatiot loppuvat. Tyypillisille nynnyille tämä tapahtuu noin sekunnin miljardisosan aikoihin.

Pimeän aineen hiukkasia ja antihiukkasia jää jäljelle yhtä monta, toisin kuin näkyvän aineen tapauksessa. Tämä johtuu siitä, että pimeä aine vuorovaikuttaa heikommin kuin näkyvä aine, eikä siksi annihiloidu yhtä tehokkaasti. Pimeää ainetta ei myöskään aluksi ollut enemmän kuin antiainetta. Mitä vahvemmin pimeä aine vuorovaikuttaa, sitä tehokkaammin se annihiloituu, ja sitä vähemmän nynnyjä on jäljellä.

Vaikka aineen keskitiheys laskee maailmankaikkeus laajetessa, joissain paikoissa tiheys kasvaa, koska gravitaatio vetää ainetta kasaan. Noin sadan miljoonan vuoden iässä tiheys kasvaa pienissä osissa avaruutta niin paljon, että näkyvän aineen ydinreaktiot käynnistyvät uudelleen, eli tähdet syttyvät. Vastaavasti klimppiytyminen tehostaa pimeän aineen annihilaatiota.

Annihilaatio tuottaa energiaa paljon tehokkaammin kuin ydinreaktiot, mutta toisaalta pimeä aine ei kasaudu yhtä tehokkaasti kuin näkyvä aine, ja se vuorovaikuttaa paljon heikommin. Niinpä vain pieni osa pimeän aineen hiukkasista ja antihiukkasista annihiloituu, eikä taivas hohda pimeän aineen valoa. (Muuten sitä tuskin sanottaisiinkaan pimeäksi aineeksi.) Pimeää ainetta etsitään siksi monin eri tavoin.

Havaintojen kannalta annihilaatiossa on kuitenkin se hyvä puoli, että kysymyksessä on sama ilmiö, joka määrää paljonko pimeän aineen hiukkasia on jäljellä. Jos tietää pimeän aineen hiukkasten lukumäärän, voi suoraan laskea annihilaation tehokkuuden ja siten kirkkauden taivaalla. Pimeän aineen gravitaatiovaikutuksesta voi puolestaan päätellä sen massatiheyden, eli hiukkasten lukumäärän kerrottuna yhden hiukkasen massalla jaettuna tilavuudella. Ainoa tuntematon tekijä on siis hiukkasen massa. Annihilaation tehokkuuteen vaikuttaa myös se miten paljon pimeä aine on klimppiytynyt – parhaita havaintokohteita ovat Linnunradan keskusta ja kääpiögalaksit, joissa pimeän aineen tiheys on iso.

Taivaalla onkin nähty ehkä odotettua enemmän valoataipositroneja (eli elektronien antihiukkasia). Koska avaruudesta tulee monenlaista säteilyä kaikenlaisista lähteistä, niin voi olla vaikea erottaa, ovatko hiukkaset peräisin pimeän aineen annihilaatiosta vaiko esimerkiksi pulsareista tai supernovien jäänteistä. Mutta jos sen sijaan nähdään vähemmän säteilyä kuin mitä pimeän aineen malli ennustaa, niin se on selvästi väärin

Tarkimmat rajat pimeän aineen annihilaatiolle on antanut vuonna 2008 kiertoradalle noussut Fermi-satelliitti. Se on vuosia mitannut avaruudesta saapuvia korkeaenergisiä fotoneja, ja pystyy sulkemaan pois monenmassaiset nynnyt – vähän riippuen siitä, mihin niiden oletetaan hajoavan. Kansainväliseen avaruusasemaan kiinnitetty hiukkasdetektori AMS-02 on osaltaan sulkenut pois sen mahdollisuuden, että kevyet nynnyt hajoaisivat tunnetuiksi sähköisesti varatuiksi hiukkasiksi, koska signaalia ei ole nähty.

Nynnyt voi pelastaa kehittämällä malleja, joissa pimeä aine hajoaa lähinnä hiukkasiksi, jotka ovat yhtä näkymättämiä kuin se itse (kuten neutriinoiksi tai joiksikin tuntemattomiksi hiukkasiksi). Toinen vaihtoehto on yksinkertaisesti tehdä pimeän aineen hiukkasesta raskaampi. Koska havainnot kiinnittävät massatiheyden, niin mitä isompi hiukkasten massa on, sitä pienempi on niiden lukumäärä, ja sitä vähemmän annihilaatioita tapahtuu.

Kumpikin muutos menee kuitenkin vastakarvaan nynnyjen alkuperäistä ideaa. Tarkoituksena oli, että pimeä aine vuorovaikuttaa hiukkasfysiikan heikon vuorovaikutuksen kautta, joten se hajoaa näkyväksi aineeksi, ja sen massa olisi samaa luokkaa heikkoa vuorovaikutusta välittävien W– ja Z-bosonien massan kanssa. Tällöin pimeän aineen massatiheys sattuisi sopimaan havaintoihin ilman säätämistä.

Yhdistettynä siihen, että myöskään maanpäällisissä kokeissa nynnyjä ei ole näkynyt vaikka olisi odottanut, taivaan pimeys tekee niistä yhä vähemmän houkuttelevia. Idea pimeästä aineesta sinällään voi hyvin, ja nynnyjen hohteen himmentyminen on siirtänyt huomiota muihin ehdokkaisiin, kuten steriileihin neutriinoihin, aksioneihin ja mustiin aukkoihin, joita vuorostaan ajetaan ahtaalle kunnes ne teilataan tai löydetään.

6 kommenttia “Taivas ei hohda pimeää”

  1. Martti V sanoo:

    Mielenkiintoinen kirjoitus. Pimeä aineen massan ylivoima näkyvään voi selittyä sillä, että se ei ole annihiloitunut ja sitä on myös antiaineen muodossa. Voiko pimälle aineelle olla baryoniluvun kaltainen suhde? Onko pimeälle aineelle välttämättä antihiukkasta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Moniin pimeän aineen hiukkasiin liittyy jokin säilyvä luku. Näin on myös joidenkin suosittujen nynnyjen kohdalla. Tässä tapauksessa aina kun pimeän aineen hiukkanen syntyy tai tuhoutuu, samalla pitää syntya täi tuhoutua sen antihiukkanen. Tämä on yksi selitys sille, miksi pimeän aineen hiukkanen on stabiili.

      Mutta toisin kuin baryonien tapauksessa, nynnyjä ei alun perin ole enemmän kuin antinynnyjä. (Tai vaikka olisi miljardisosan verran, sillä ei ole juuri merkitystä, koska antiainetta on jäänyt annihiloitumatta niin paljon.)

      Muissa pimeän aineen malleissa asia voi olla toisin. Esimerkiksi tekniväriin liittyvät teknibaryonit ovat pimeän aineen ehdokas, jota olisi jäljellä vain hiukkasia, jotka ovat jääneet jäljelle antihiukkasten kuluttua loppuun, baryonien tapaan.

      Toisaalta esimerkiksi steriilit neutriinot ovat (useimmissa malleissa) omia antihiukkasiaan, eli niiden kohdalla kysymys ei ole edes mielekäs.

  2. Miquel sanoo:

    Syntyikö alussa ainetta ja pimeää ainetta yhtä paljon? Jos näin, voisi ajatella, että pimeä aine vuorovaikuttaa antiaineensa kanssa 10 miljardia kertaa heikommin (10 sek vs. miljardisosa sekuntia) ja silti sitä jäi jäljelle 5 x niin paljon kuin ainetta. Eli vuorovaikutus olisi annihilaatiossa 1:50 000 000 000 näkyvän aineen annihilaatiosta (vuorovaikutuksesta). Vähän mutkat suoriksi peruskoulun matikalla. Tiedän, että tähän liittyy joku koukku. Toisaalta, kun on tehty niitä bullet-kuvia pimeästä aineesta, niin kaareuttaako se avaruutta enemmän kuin viereinen näkyvä aine? Vai onko se 5 kertaa kevyempää, vaikka sitä on 5 kertaa enemmän.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Oletettavasti näkyvä aine ja pimeä aine ovat molemmat syntyneet kosmisesta inflaatiosta vastuussa olevan kentän hajotessa. Ei ole mitään syytä, miksi niitä olisi syntynyt yhtä paljon.

      Jäljellä olevan näkyvän aineen määrä ei määräydy sen vuorovaikutusten voimakkuudesta, kunhan ne vain ovat tarpeeksi voimakkaita, että lähes kaikki antiaine kuluu loppunu ja jäljelle jää vain pimeää ainetta. Oleellista on se, että näkyvään aineeseen liittyy säilyvä luku, baryoniluku, ja tämän takia on olemassa enemmän ainetta kuin antiainetta. (Tarkemmin täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/muistinmenetykset-ennustusten-takana/)

      Jos näkyvää ainetta ja antiainetta olisi aluksi yhtä paljon, ainetta jäisi jäljelle noin miljardiososa siitä mitä sitä oikeasti on. (Ja antiainetta saman verran.)

      Pimeä aine kaareuttaa aika-avaruutta saman verran per massatiheys kuin näkyväkin. Se kaareuttaa enemmön sellaisissa alueissa, missä sen massatiheys on isompi. (Käytännössä kaikkialla galaksien reunoilla ja galakseja isommassa mittakaavassa.)

      Bullet Clusterista tarkemmin: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/

  3. Lentotaidoton sanoo:

    ”Yhdistettynä siihen, että myöskään maanpäällisissä kokeissa nynnyjä ei ole näkynyt vaikka olisi odottanut, taivaan pimeys tekee niistä yhä vähemmän houkuttelevia. Idea pimeästä aineesta sinällään voi hyvin, ja nynnyjen hohteen himmentyminen on siirtänyt huomiota muihin ehdokkaisiin, kuten steriileihin neutriinoihin, aksioneihin ja mustiin aukkoihin, joita vuorostaan ajetaan ahtaalle kunnes ne teilataan tai löydetään.”

    Kun ”nynnyjen hohde on himmentynyt” niin tuolla aiemmin kolmisen vuotta sitten olleessa kirjoituksessasi käsiteltiin myös FIMPejä, siis Feebly Interacting Massive Partikkeleja. Onko näiden osalta mitään lisäkerrottavaa? Esim tuolloin esitit että vuorovaikutus on niin heikko että senaikuiset kokeet eivät pysty niitä havaitseman. Entä tänään? Eli onko kokeiden ”haarukka” mahdollisesti tarkentunut?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Käsittääkseni FIMPpien tilanne ei ole juuri muuttunut. Mahdollisuudet niiden havaitsemiseen riippuvat siitä, millainen FIMP tarkalleen ottaen on, ja ovat enimmäkseen kosmologisia. Termiä on kyllä käytetty myös steriileistä neutriinoista, joiden havaitsemista olenkin täällä joskus kirjoittanut: yksi mahdollisuus on hajoamisesta tulevat röntgensäteet. Toisaalta FIMPit saattaaat jättää jäljen kosmiseen mikroaaltotaustaan.

      En tiedä, onko tulossa mitään uusia kokeita, joiden tarkkuus olisi tässä suhteessa ratkaisevasti aiempaa parempi – ensi vuonna taivaalle nouseva Euclid-satelliitti mittaa toki monia kosmologisia asioista paremmin, mutta en tiedä mitä sanottavaa sillä on FIMPeistä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Lukutaidon perusteet

25.9.2021 klo 21.50, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Helsingin yliopisto, kehittämiskeskus Opinkirjo ja Kauniaisten kaupunki ovat tuottaneet nettiin avoimen tiedelukutaidon peruskurssin. Tiedotteen mukaan kurssi ”on suunnattu ennen kaikkea lukiolaisille, mutta sopii myös niin tavallisille kansalaisille kuin päättäjillekin”.

Tieteellinen tutkimus on laaja kenttä, joten yritykset kirjoittaa siitä kattavasti ovat helposti joko niin yleisluontoisia, että niistä ei saa paljon irti, tai sitten yksityiskohdiltaan joidenkin alojen kohdalla pielessä. Kurssi tasapainottelee sekä kuvaamalla tieteen yleisiä käytäntöjä että kertomalla yksittäisistä tapauksista, esimerkiksi revontulien tutkimuksesta.

Tämä toimii enimmäkseen hyvin, vaikka osa kuvailusta tuntuu pohjaavan enemmän teoreettisiin ideoihin tieteestä kuin siihen, miten tiedettä oikeasti tehdään. Esimerkiksi tieteellisestä kirjoittamisesta kerrotaan seuraavaa:

”Tutkimusraportin rakennetta on perinteisesti kuvattu neljällä kirjaimella: IMRD. Lyhenne tulee sanoista Introduction (johdanto), Methods (menetelmät), Results (tulokset), Discussion (pohdinta). Malli sopii parhaiten kuvaamaan kliinistä ja määrällistä tutkimusta, joka on tyypillistä esimerkiksi luonnontieteissä.”

Mielestäni tällainen menetelmiä korostava rakenne on päin vastoin leimallinen ihmis- ja yhteiskuntatieteille. Fysiikan artikkeleissa johdannon jälkeen tyypillisesti vain kerrotaan mitä on tehty, eikä metodeilla ylipäänsä ole samanlaista erityistä roolia kuin ihmistieteissä. Matematiikan artikkeleissa taasen ei yleensä ole sen enempää selityksiä metodeista kuin lopun pohdintaakaan.

Se, että tällaiset tekstit tuntuvat tutkijalle vieraalta johtunee osittain siitä, että niissä kuvaillaan tieteilijän työtä ulkoapäin, kun taas tutkijana sitä katsoo sisältäpäin ja vain pienestä osasta tutkimuksen kenttää. Tätä paikataan kurssilla tutkijoiden omilla teksteillä sekä haastatteluilla. Minulta on mukana kommentteja tutkijalle hyödyllisistä taidoista. Tämä huomio tuntuu tarpeelliselta muillekin:

”Tarvitaan myös sen sietämistä, että aloittaessaan tutkimusta ei tiedä, mihin päätyy ja kuinka kauan kestää saavuttaa tuloksia.”

Viime viikolla avaruusfyysikko Minna Palmroth puhui siitä, miten hän oli löytänyt ja selittänyt revontulidyynejä yhdessä ”kansalaistieteilijöiden” kanssa. (Sana ”kansalaistieteilijä” tarkoittaa henkilöä, joka ei ole tieteilijä, mutta osallistuu tieteen tekemiseen.) Palmroth kertoi, miten taivasta tarkkaan kuvaavien ei-tieteilijöiden havaintoverkosto oli oleellinen tutkimuksen tekemisessä, mutta sen koordinoiminen oli raastavaa, koska tutkimukseen tottumattomilla osallistujilla oli epärealistisia odotuksia. He olivat kovin innoissaan kun jotain löytyi, turhan kärsimättömiä kun tuloksia ei tullutkaan heti lisää, ja aivan lannistuneita kun jokin idea ei osoittautunutkaan oikeaksi.

Tieteen tenhoon mukaan hyppäävien ihmisten kohdalla tällaista vuoristorataa sopii odottaakin. Haitallisempaa on se, että tiedepoliittisia päätöksiä muokkaavilla virkailijoilla ja tieteestä käytävää keskustelua määrittävillä toimittajilla on vakavia puutteita tieteen ymmärtämisessä.

On tullut tavaksi verhota tietämättömyys tieteestä ja vihamielisyys tutkimuksen vapautta kohtaan vaatimuksiin ”vaikuttavuudesta”. Opetus- ja kulttuuriministeriön korkeakoulu- ja tiedepolitiikan osaston päällikkö Atte Jääskeläinen on esimerkiksi esittänyt, että tutkimuksen rahoitusta lisätään vasta sitten, kun tutkijoiden työ tehostuu ja he osoittavat sillä olevan ”vaikuttavuutta”. Käsite on epämääräinen, ja Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta on käsittänyt asian niin, että ”vaikuttavuutta” lisätään kehottamalla tutkijat käyttämään aikaansa ilmaisen työn tekemiseen kaupalliselle lehdelle.

Koska tieteessä kartoitetaan uusia alueita, on monesti mahdotonta arvioida, mihin tutkimus johtaa ja mitä siitä seuraa. Vaatimukset tieteen arvon osoittamisesta ovat sikäli hämmentäviä, että tiede on ihmiskunnan kehitystä viime vuosisatojen aikana eniten muuttanut tekijä, ja sen vaikutus on mittaamaton. Miten todistaa, että Aurinko on kirkas? Esimerkiksi kvanttimekaniikan löytäminen kumpusi ongelmista, jotka olivat aikanaan hyödyttömiä (eli ”akateemisia”), mutta siitä on muodostunut lähes kaiken nykyteknologian pohja. Lisäksi on syytä korostaa, että monilla tutkimustuloksilla on itseisarvoa, ei vain välinearvoa.

Valitettavasti edellä mainitun korkea-arvoisen OKM:n virkailijan lisäksi tietämättömyys tieteestä vaivaa joitakin tiedettä kommentoivia suomalaisia toimittajia. Toimittajat ovat ottaneet tavaksi arvostella yksittäisiä tutkimushankkeita, rahoituspäätöksiä tai jopa kokonaisia tutkimusaloja virheellisten tietojen, keksittyjen väitteiden tai vaikkapa vain hankkeen nimen perusteella.

Kohteet on usein valittu poliittisin perustein ihmistieteiden puolelta, ja hyökkäykset tiedettä kohtaan esitetään tieteen puolustamisena: eikö olisi parempi rahoittaa hyödyllistä tutkimusta hyödyttömän sijaan? Väitteissä ei kuitenkaan ole kyse niinkään yksittäisten kohteiden arvostelusta kuin tieteen autonomian ja vertaisarvioinnin kyseenalaistamisesta. Tämä on osa poliittista virtausta, joka pyrkii lyhytnäköisesti valjastamaan tieteen yritysten palvelijaksi ja alistamaan tieteellisen yhteisön tiukemmin vallanpitäjien ohjaukseen.

Tiederahoituksessa on tietysti arvostelemista, kuten olen sekä hakijan että arvioijan näkökulmasta kirjoittanut. On myös totta, että koko ajan tehdään myös huonoa tutkimusta, ja monilla tieteenaloilla on vääristymiä ja ongelmia. (Hiukkaskosmologia ei ole poikkeus.) Mutta mielekäs keskustelu niistä edellyttää kyseisten tieteenalojen tuntemista. Esimerkiksi kosmologian tutkimushankkeiden rahoituspäätösten mielekäs arviointi vaatii vuosien perehtymistä. Päätökset tutkimuksen rahoittamisesta ja julkaisemisesta sekä tutkijoiden palkkaamisesta (tai suositukset päätöksille) tekevät toiset tutkijat siksi, että vain heillä on siihen tarvittava asiantuntemus.

Kun toimittaja toteaa, että se tosiseikka, että rahoituspäätösten perusteita ei voi ymmärtää ilman mittavaa perehtymistä ei ole este sille, että asiaan perehtymätön ihminen arvioi niitä, on kyseessä kiinnostava esimerkki tieteellisen lukutaidon puutteesta.

Osittain toimittajien ongelma voi liittyä journalismin ja tieteen eroihin. Toimittajien kulttuurissa on tavallista julkaista vakavia, perättömiä ja virheellisiä väitteitä –tieteestä tai muista aiheista– ilman että se vaikuttaa kirjoittajan asemaan negatiivisesti. Lisäksi muita toimittajia pidetään oman sisäryhmän jäseninä, joiden julkista arvostelua vältetään.

Tältä pohjalta voi olla vaikea ymmärtää, että tiedeyhteisö hakeutuu kohti totuutta keskinäisen kritiikin ja vertaisarvioinnin kautta. Jos tieteilijä jää kiinni perättömien väitteiden julkaisemisesta, hän menettää uskottavuutensa tiedeyhteisössä. Lisäksi toisten tutkijoiden arvosteleminen ja heidän arvostelunsa kohteena oleminen on keskeinen osa tutkijan työtä. Arvostelu ei ole hajottavaa ”kivien heittämistä” (kuten toimittajat saattavat toistensa julkista arvostelemista soimata), vaan rakentava osa virheiden korjaamista, koska se perustuu asioiden tuntemiseen ja faktojen korjaamiseen.

Vaikka osa tiedevastaisuudesta on poliittisesti tarkoitushakuista, mukana on myös aitoa ajattelemattomuutta ja vilpitöntä tietämättömyyttä, mihin kurssi tiedelukutaidon perusteista voi auttaa.

3 kommenttia “Lukutaidon perusteet”

  1. Aulis Tuohimäki sanoo:

    Loistava artikkeli.
    Minäkin luin tämän kahteen kertaan ja ihailin tekstin selkeyttä helppolukuisuutta.
    Kiitos!

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Lisäisin tuohon IMRD-lyhenteeseen yhden kirjaimen C eli Conclusions. Siinä tutkijan tulisi pohtia, mikä oli tehdyn tutkimuksen arvo ja hyöty ja kannattaako tiukasti samalla linjalla jatkaa ja jos ei,niin mihin suunnata.
    Eli lyhyesti sanottuna sijoittaa työnsä osaksi laajempaa kokonaisuutta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Johtopäätökset ovat osa Discussion-osuutta.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Muisto läheisestä yhteydestä

31.8.2021 klo 19.38, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kosminen mikroaaltotausta on vanhinta valoa. Se irtosi aineesta, kun maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden ikäinen. Sitä ennen lämpötila oli niin korkea, että atomit eivät pysyneet kasassa, vaan aine koostui irrallisista ytimistä ja elektroneista. Valo poukkoili jatkuvasti niiden sähkövarauksista, eikä päässyt liikkumaan vapaasti. Maailmankaikkeus oli tämän takia läpinäkymätön, kuten Aurinko nyt.

Kun katsoo Aurinkoa, näkee millainen se oli kahdeksan minuuttia sitten, kun silmiimme saapuva valo irtosi sen pinnalta. Kun katsoo kosmista mikroaaltotaustaa, näkee millainen maailmankaikkeus oli 14 miljardia vuotta sitten, kun havaintolaitteeseemme saapuva valo irtosi aineesta.

Vaikka emme näe Auringon sisään, sen pinnalta tulevasta valosta voi tehdä johtopäätöksiä siitä mitä sisustassa tapahtuu. Samoin kosmisesta mikroaaltotaustasta voi lukea jotain siitä, mitä tapahtui ennen sen irtoamista aineesta.

Mikroaaltotaustasta näytetään useimmiten kuva, missä on sen kirkkaus eri puolilla taivasta.

Kosminen mikroaaltotausta eri suunnissa. (Kuva: ESAn Planck-tutkimusryhmä.)

Tällaiset kuvat on koostettu muutamalla aallonpituudella tehdyistä mittauksista. Mikroaaltotaustaa voi myös mitata toisin päin: monella eri aallonpituudella, mutta välittämättä siitä mistä suunnasta valo tulee. Sitä, paljonko valoa on kullakin aallonpituudella kutsutaan spektriksi.

Kun COBE-satelliitin käänteentekevät tulokset mikroaaltotaustasta julkistettiin vuonna 1992, paljon huomiota kiinnitettiin juuri spektriin, jonka mittaus palkittiin vuonna 2006 puolikkaalla Nobelilla. Valon aallonpituus määräytyy suoraan sen energiasta, ja havaittu spektri noudattaa ennustettua lämpötasapainon energiajakaumaa mittauksen tarkkuudella, joka on yksi kymmenestuhannesosa.

Kosminen mikroaaltotausta eri aallonpituuksilla. (Kuva: NASAn COBE-tutkimusryhmä.)

Tämä oli merkittävä todiste sen puolesta, että maailmankaikkeus oli varhain kuuma ja tiheä. On nimittäin vaikea selittää miten mikään tähdissä, molekyylipilvissä tai missään muualla nykymaailmankaikkeudessa syntynyt valo olisi tarkkaan samassa lämpötilassa kaikkialla alun perin, ja koska valo vuorovaikuttaa itsensä kanssa vain heikosti, irrallaan kulkeva valo ei kulje kohti lämpötasapainoa. Mutta vanha valo kantaa yhä muistoa ajasta, jolloin se oli läheisesti yhteydessä aineeseen.

Sittemmin tärkeämmäksi on noussut COBEn mittaus mikroaaltotaustan jakaumasta taivaalla. Tämä ensimmäinen havainto kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksista palkittiin toisella puolikkaalla Nobelista vuonna 2006, ja on usein mainittu ”täsmäkosmologian” alkuna. Epätasaisuuksista on tullut kosmologian keskeinen havaintokohde, jonka avulla on onnistuneesti luodattu niin pimeää ainetta kuin muinaisten aikojen inflaatiota.

Mutta myös mikroaaltotaustan aallonpituusjakauma kertoo menneestä. Niin kauan kuin hiukkaset ovat tiukasti kytköksissä toisiinsa, ne siirtyvät takaisin kohti lämpötasapainoa jos niitä häiritään. Palautuminen kestää kuitenkin aikansa, ja valon irrottua aineesta se ei enää juuri vuorovaikuta, ja säilyttää silloisen tilansa. Niinpä mikroaaltotaustan spektriin kirjattu historiaa ajalta hieman ennen valon ja aineen irtoamista.

Jos kosmista keittoa häiritsee ennen kuin maailmankaikkeus on noin vuoden ikäinen, niin se ehtii palautua tasapainoon ennen valon irtoamista 380 000 vuoden iässä. Vuoden ja 380 000 vuoden välillä tapahtuneet jäljet eivät sen sijaan ehdi kadota ennen fossiloitumistaan mikroaaltotaustaan.

Yksi esimerkki mahdollisesta häiriötekijästä on hiukkasten hajoaminen. Jos on olemassa tuntemattomia hiukkasia, joiden elinikä on jotain kuukauden ja miljoonan vuoden väliltä, niiden hajoaminen jättäisi jälkensä mikroaaltotaustaan. COBEn mittausten perusteella tällaisten hiukkasten osuus maailmankaikkeuden energiatiheydestä pitää olla alle kymmenestuhannesosa, koska mitään merkkejä niistä ei ole nähty. Havainnot rajoittavat yhtä lailla myös sitä, paljonko kevyitä mustia aukkoja voi olla olemassa, jotta niiden Hawkingin säteilyn vaikutus ei näkyisi spektrissä.

Tällaisten spekulaatioiden lisäksi on yksi asia, jonka varmasti tiedämme hämmentävän muinaista puuroa: mikroaaltotaustassa näkyvät aineen epätasaisuudet. Gravitaation takia sopan sattumat tihentyvät entisestään, kunnes mukana kasautuvan valon paine työntää tiheän alueen takaisin, minkä jälkeen se taas tihentyy. Tämä aaltoilu työntää keittoa pois lämpötasapainosta siirtämällä energiaa fotonien välillä. Spektriin jää näin jälki keiton lyhyistä aalloista, jotka ovat jo ehtineet vaimeta mikroaaltotaustan irrotessa aineesta ja joita ei siksi siinä suoraan nähdä.

Koska epätasaisuudet ovat hyvin pieniä, sadastuhannesosan suuruisia, COBEn tarkkuus ei riittänyt havaitsemaan niistä johtuvia häiriöitä. Mikroaaltotaustan spektriä ei ole mitattu COBEn jälkeen, ja teknologia on kehittynyt valtavasti kolmen vuosikymmenen aikana, joten nykyisillä laitteilla nämä epätasaisuuksien jäljet näkyisivät. Tähän kaavailtiin 2010-luvulla PIXIE-satelliittia, jota ei kuitenkaan rahoitettu, mutta yhä valmistellaan paluuta spektrin mittaamiseen, jotta näkisimme muinaisten aikojen aineeseen pintaa syvemmälle.

16 kommenttia “Muisto läheisestä yhteydestä”

  1. Lentotaidoton sanoo:

    ”Tähän kaavailtiin 2010-luvulla PIXIE-satelliittia, jota ei kuitenkaan rahoitettu, mutta yhä valmistellaan paluuta spektrin mittaamiseen, jotta näkisimme muinaisten aikojen aineeseen pintaa syvemmälle.”

    Tutkailin noita PIXIE-satelliitin esittelyjä. Niiden mukaisesti laite todella olisi ollut erittäin edistyksellinen (ja olisi ilmeisesti tarkentunut moni asia varhaiskosmologiassa). Kompastuiko vain rahaan, vai oliko muita (teknisiä, tieteellisiä) esteitä? Olettaisi vielä kymmenessä lisävuodessa tulleen paljon lisätietoutta havainnointiin. Tämä laitehan olisi tietysti pureutunut vielä varhaisempiinkin aikoihin eli inflaation kosmologiaan (polarisaatio), tappoiko BICEP2 sähläys rahoituksen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En valitettavasti tiedä miksi PIXIEtä ei rahoitettu. Pitääkin kysyä asiasta kun törmään taas spektrimittausten asiantuntijaan.

  2. Arto sanoo:

    Voisiko olla niin, että valon dualismismissa olisi lopulta kyse ”vene vesillä -ilmiöstä. Kun kohdistetaan huomio tarkasti” veneeseen,” niin nähdään” vene”, mutta ”kauempaa katsottuna havaitaan vain liikkuvan veneen muodostamat aallot” https://physicsworld.com/wave-particle-duality-quantified-for-the-first-time/

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Edistys fysiikassa edellyttää teorioiden matemaattisen rakenteen ymmärtämistä. Sitä ei voi saavuttaa tuollaisia populaareja vertauskuvia pohtimalla.

      Aaltohiukkasdualismista hieman alla. Koska tämä ei liity merkinnän aiheeseen, niin ei siitä sen enempää.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/pikkuhyrrien-kertomaa/

  3. Cargo sanoo:

    ”Yksi esimerkki mahdollisesta häiriötekijästä on hiukkasten hajoaminen. Jos on olemassa tuntemattomia hiukkasia, joiden elinikä on jotain kuukauden ja miljoonan vuoden väliltä, niiden hajoaminen jättäisi jälkensä mikroaaltotaustaan.”

    Paljonkohan tuossa alkukeitossa on tapahtunut kuplintaa aiheuttaneita satunnaisia fuusiopamauksia, kun ympäristön paine on puristanut alkeishiukkasia kasaan? Lisäksi tuollainen aaltoilu voisi summautua isoksi ’superaalloksi’, jolla saattaa olla kosmisia seurauksia 🙂

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Fuusio tarkoittaa kevyiden atomiydinten yhtymistä raskaammiksi ytimiksi. Tätä tapahtuu vain noin kolmen minuutin ja puolen tunnin välillä: sitä ennen on niin kuuma, että ytimet eivät pysy kasassa, sen jälkeen niin kylmä, että ydinreaktiot sammuvat. Kuplimisella ei ole asian kanssa mitään tekemistä.

  4. Jani sanoo:

    Täyttiko aine tuossa 380000 vuotta vanhassa maailmankaikkeudessa koko maailmankaikkeuden? Valo varmaankin lähti tuolloin joka suuntaan niin valohan etenee ainetta nopeammin niin laajentaako maailman kaikkeuden reunalta lähtenyt valo maailmankaikkeutta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Näkyvän aineen ja valon tiheys on sama kaikkialla noin sadastuhannesosan tarkkuudella, pimeän aineen noin tuhannesosan.

      Maailmankaikkeudella ei ole reunaa, ks

      http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajaton_kasvu

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/muotoja-ilman-mittanauhaa/

      1. Martti V sanoo:

        CMB syntyaikoina universumi oli tasaista puuroa, jossa alkoi atomit muodostua. Toki fotonit sinkoilivat mm. atomeista joka suuntaan. Materian määrä universumissa ei varmaankaan ole ääretön? Näin ollen voisi ajatella, että fotonit ovat levinneet laajemmalle kuin materia.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Emme tiedä onko maailmankaikkeus äärellinen vai ääretön, emmekä näin ollen myöskään sitä, onko ainetta äärettömästi. Tällä ei kuitenkaan ole mitään tekemistä sen kanssa, ovatko fotonit levinneet laajemmalle kuin aine.

          1. Martti V sanoo:

            Olipa universumin topologia mikä tahansa sen tila kasvaa koko ajan. Jos koko on ääretön se kasvaa äärettömästä vielä suuremmaksi eli äärettömäksi. Voidaanko olettaa että taustasäteily on jakautunut tasaisesti tässä tapauksessa?

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Kaikkialla näkemässämme maailmankaikkeudessa kosminen mikroaaltotausta -kuten kaikki muukin- on tilastollisesti samanlaista kaikkialla. (Avaruuden laajeneminen ei tee kosmisesta mikroaaltotaustasta erilaista eri puolilla.) Näemme 50 miljardin valovuoden päähän. Emme tiedä millaista kauempana on, mutta ei ole mitään syytä odottaa, etteikö kosminen mikroaaltotausta olisi tasainen muuallakin.

          3. Martti V sanoo:

            Kiitos vastauksesta. Jos universumi on ääretön, oli alussa myös ääretön lämpötila äärettömän tiheässä. Miksi taustasäteilyn lämpötila on laskenut arvoonsa? Vaikka ääretöntä jakaa millä tahansa tilavuusyksikölle lopputulos on ääretön.

          4. Syksy Räsänen sanoo:

            Sillä, onko maailmankaikkeus äärellinen vai ääretön, ei ole mitään tekemistä sen kanssa, mikä siinä olevan aineen lämpötila on. Tämä riittäköön tästä.

  5. Antti sanoo:

    Muistuuko mieleen onko taustasäteilystä menossa mitään uudenlaisia tutkimuksia vai onko siitä
    kaavittu jo kaikki irti?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Merkinnässä kirjoitan siitä, miten kosmisen taustasäteilyn spektristä on tehty vain yksi mittaus, ja sitä haluttaisiin mitata tarkemmin.

      Muut kosmisen mikroaaltotaustan suunnitteilla olevat kokeet tähtäävät sen polarisaation tarkempaan mittaamiseen gravitaatioaaltojen jäljen havaitsemiseksi.

      Toistaiseksi varmistuneita kokeita ovat Simons Observatory ja japanilainen LiteBIRD-satelliitti, suunnitteilla on myös nimellä S4 kulkeva maanpäällinen laitteisto.

      http://litebird.jp/eng/

      https://simonsobservatory.org/

      https://cmb-s4.org/

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kuratoitu läpileikkaus

9.8.2021 klo 21.53, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla oli merkittävä vuotuinen kosmologiakonferenssi COSMO. Tällä kertaa se järjestettiin Yhdysvaltojen Illinois’n yliopistossa ja pidettiin etänä. COSMO-konferenssien sarja alkoi vuonna 1997, tavoitteena tuoda hiukkasfyysikkoja ja kosmologeja lähemmäs. Nykyään kentät lomittuvat niin sujuvasti, että nuorempi sukupolvi ei edes tiedä, että niiden välillä oli aiemmin paljon epäilyä ja väärinkäsityksiä.

COSMO-konferenssien johtokunnan jäsen Leszek Roszkowski mainitsi hiukkasfysiikasta Nobelin saaneen Martinus Veltmanin ykskantaan todenneen, että kosmologia ei ole tiedettä. Mielipide meni Veltmanin mukana tammikuussa hautaan, ja nykyään kukaan fyysikko tuskin esittää tällaisia kommentteja. Hiukkasfyysikoiden mielenmuutosta on edesauttanut se, että kosmologiassa on tehty läpimurtoja havaintojen saralla, merkittävimpänä vuonna 1998 julkistetut (ja 2011 Nobelilla palkitut) maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisesta kertovat supernovahavainnot.

Tämän vuoden COSMOssa näkyi, miten havaintovetoista kosmologia on, ja miten paljon teknologia ja data-analyysi ovat kehittyneet. Kun vuonna 2000 aloitin tutkimuksen tekemisen, muotiterminä oli ”täsmäkosmologia”. Tässä COSMOssa ei sanaa juuri kuultu, koska havaintojen ja analyysin täsmällisyys on ilmeistä ja tunnustettua.

Kosmologiakonferensseissa ei julkisteta uusia tuloksia eikä artikkeleita, jotka ovat kaikki luettavissa nettiarkistosta arXiv, mutta ne tarjoavat kuratoidun läpileikkauksen alan tilanteeseen ja ponnistuslaudan ajattelulle. Ohjelma koostuu kutsutuista puheista, jotka ovat enimmäkseen katsauksia johonkin osa-alueeseen, ja osallistujien omasta työstään tarjoamista lyhyemmistä esityksistä. Vuosien varrella naisten osuus on kasvanut merkittävästi: tämän vuoden 24 kutsutusta puhujasta 15 oli (nimen ja ulkonäön perusteella oletetusti) naisia.

Gravitaatioaalloilla oli ansaitusti iso rooli. Uusien havaintojen (ja Nobelin) edesauttamana alan tutkimus on laajentunut nopeasti. Kun kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien ensimmäiset mittaukset julkistettiin vuonna 1992, data-analyysin ja havaintojen ohella kehitettiin rivakasti erilaisia tapoja hyödyntää dataa ja lukea siitä kaikenlaista. Gravitaatioaallot ovat nyt samalla tavalla uusi väline, jolla voi luodata tähtien kehitystä, raskaiden alkuaineiden muodostumista, neutronitähtien rakennetta, värivuorovaikutusta, mustien aukkojen muodostumista, maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta, yleistä suhteellisuusteoriaa, Higgsin kentän olomuodon muutosta ja niin edelleen. Kuten LIGO-koeryhmän Daniel Holz asian ilmaisi, tutkijat ovat odottaneet gravitaatioaaltojen datatulvaa, ja nyt se on alkanut.

Teoreetikot vaihtavat kentältä toiselle onnistumisten vetämänä ja epäonnistumisten hylkimänä. Monet vaikkapa gravitaatioaaltoihin tai Higgsin kenttään liittyvistä viime vuosien uusista ideoista olisi voitu keksiä vuosia sitten, mutta niitä ei tullut ajatelleeksi kuin havaintojen ja uuden keskustelun myötä. Teknologia ajaa havaintoja, mikä ruokkii teoriaa, mikä osoittaa miten analysoida ja tehdä havaintoja.

Teknologian kehitys näkyy myös teoriapuolella esimerkiksi siinä, että yhä enemmän tehdään raskaita yleisen suhteellisuusteorian kaikki yksityiskohdat huomioon ottavia numeerisia laskuja ei vain mustien aukkojen törmäyksistä, vaan myös kosmisesta inflaatiosta ja sen loppumisesta.

COSMOssa näkyi se, miten teoreetikot ovat siirtyneet enemmän lähellä havaintoja oleviin rajattuihin malleihin suureellisten rakennelmien sijaan. Säieteoria oli kuitenkin vielä vahvasti ainakin hengessä mukana. Tähän saattaa vaikuttaa se, että teoreettinen tutkimus on Yhdysvalloissa enemmän sidottua siihen, sen muotivirtauksiin ja persoonallisuuksiin kuin Euroopassa tai Aasiassa.

Gravitaatioaaltohavaintojen inspiroimana mahdollisten muinaisten mustien aukkojen tutkimus on paisunut. Pimeän aineen tutkimusta on päinvastoin ajanut havaintojen puute: koska aiemmin suosituinta ehdokasta pimeäksi aineeksi, nynnyä, ei ole löytynyt, tutkitaan yhä enemmän kaikenlaisia mahdollisuuksia.

Yksi esille nostettu idea on makroskooppinen pimeä aine, eli pimeä aine, joka koostuu isoista kasoista yhteen sitoutuneita hiukkasia, tavallisen aineen tapaan. Tällaisia kasoja pitäisi etsiä aivan eri tavalla kuin yksittäisiä hiukkasia, esimerkiksi katsomalla iskeytyykö tähtiin asteroidin massaisia mutta paljon nopeampia möykkyjä.

On aina havaintoja, jotka ovat ristiriidassa teorian kanssa, ja voi kestää kauan, ennen kuin saadaan selville, onko ongelma havainnoissa, teoriassa vai jossain oletuksissa. Yksi tällainen ongelma on se, miksi maailmankaikkeudessa näyttää olevan vain noin neljännes siitä määrästä litium-7:aa (eli ytimiä, joissa on kolme protonia ja neljä neutronia) mikä ennustetaan syntyvän maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien aikana. Poikkeama on tilastollisesti erittäin merkittävä. Nyt on viimein paikallistettu uskottava mahdollinen selitys. Litiumin määrä on arvioitu vanhojen tähtien pinnalta, ja uusien havaintojen nojalla niissä on tapahtunut odotettua enemmän kehitystä, missä pinta on voinut sekoittua alempien kerrosten kanssa, johtaen litiumin tuhoon.

Kosmologian puhutuin ristiriita tällä hetkellä on se, että eri havainnot näyttävät antavat eri arvon maailmankaikkeuden laajenemisnopeudelle. Vastakkain ovat asettuneet erityisesti kosminen mikroaaltotausta ja kosmisen naapuruston supernovat. Kosmisen mikroaaltotaustan fysiikka tunnetaan erinomaisesti ja mittaukset ovat tarkkoja, mutta laajenemisnopeuden lukeminen siitä vaatii oletuksia pimeästä energiasta. Etäisyyksien mittaaminen supernovalla kärsii epävarmuuksista tähtien ja muiden järjestelmien mallintamisessa, mutta ei juuri riipu siitä, millaista pimeä energia on (tai onko sitä).

Havaintoryhmä Dark Energy Surveyn uudet havainnot galaksien jakaumasta ja gravitaatiolinssivääristymistä tukevat kosmisen mikroaaltotaustan tuloksia. Supernovapuolella on avautunut sisäinen ristiriita eri etäisyysmääritysten välillä: yksi tapa sopii yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, toinen ei ja kolmas on liian epätarkka, että voisi vielä sanoa. Kovasta syynäämisestä huolimatta kummastakaan tarkassa supernovamenetelmässä ei ole löydetty virhettä. Mutta nyt tiedetään paremmin mistä katsoa, ja voi olla että huolellisen analyysin jälkeen osoittautuu että ongelmana on supernovien ympäristön tai tähtien mallintaminen, tai jokin muu kosmologian kannalta arkinen lähipiirin touhu.

COSMOn sävy oli innostunut ja eteenpäin ravaava. On uusia tarkkoja havaintoja, tulevia innostavia projekteja ja hauskoja teoreettisia ideoita. On silti syytä muista, että vaikka havainnot voivat tarjota vastauksen isoihin kysymyksiin –pimeän aineen luonne, kiihtyvän laajenemisen syy, inflaation yksityiskohdat, aineen ja antiaineen epäsuhdan synty– ja paljastaa jotain yllättävää, siitä ei ole mitään taetta. Kosmologian tulevaisuus on havaintojen arpapeliä.

16 kommenttia “Kuratoitu läpileikkaus”

  1. Eusa sanoo:

    Entäpä jos pimeän aineen möykyt ovatkin valovuosien kokoisia sumeita rakenteita?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jos pimeä aine koostuu hiukkasista, joiden massa on hyvin pieni, niiden aallonpituus voi tosiaan olla tähtitieteen mittakaavassa. Tällöin ei kuitenkaan ole kyse hiukkasten sidotuista tiloista (möykyistä), vaan yksittäisistä hiukkasista.

      Aiheesta lisää täällä:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/totalitaristinen-periaate-ja-vanhan-ajan-romantiikka/

  2. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Ketä voi kutsua ensimmäiseksi kosmologiksi, nykytieteen mielessä ? Albert Einstein ?
    Voinee kai sanoa että meni monta vuosikymmentä niin että kosmologia oli kokonaan teoreetikoiden juttu ?
    Tähtitieteilijäthän jakaantuvat teoreetikoihin ja havaitsijoihin, joista jälkimmäiset siis vastaavat fysiikan kokeilijoita.
    Ja nykyäänhän on sitten simuloijia jotka lasketaan teoreetikoiksi tai sitten omaksi ryhmäkseen.
    Onko nykyään olemassa sellainen identiteetti kuin havainnoitsija-kosmologi ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kosmologia omana tieteenalanaan muodostui vasta pitkälle toisen maailmansodan jälkeen. Sitä ennen oli erilaisia fyysikoita, jotka tutkivat kosmologiaan liittyviä kysymyksiä muun ohella. En osaa sanoa, kuka olisi ensimmäinen kosmologi.

      Nykykosmologian voi sanoa syntyneen yleisen suhteellisuusteorian myötä, ensimmäisen siihen perustuvan kosmologisen mallin esitti Einstein vuonna 1917, ja kenttä kehittyi havaintojen myötä voimakkaasti 1920-luvulla.

      Simulaatioita tekevät sekä havaitsijat että teoreetikot, simulaatioiden tekijät eivät ole oma ryhmänsä.

      Havainnoiva kosmologia (observational cosmology) on tosiaan oma osa-alueensa.

  3. Martti V sanoo:

    Pimeän aineen hiukkasten detektoinnissa taidetaan olla hieman epätoivoisia. Onko muunnellut gravitaatioteoriat nostaneet profiilia viime aikoina?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Itse asiassa pimeän aineen etsimisen suhteen ei yleisesti olla epätoivoisia (toisin kuin mitä tulee uusien hiukkasten löytämiseen kiihdyttimissä), koska ehdokkaita on niin paljon.

      Muokatut gravitaatioteoriat pimeän aineen kilpailijoina jatkavat pienellä liekillä. Tuki niille ei ole kasvanut, varmaankin siksi että 1) ei ole yhtäkään muokattua gravitaatioteoriaa joka selittäisi kaikki samat havainnot kuin pimeä aine, ja 2) pimeän aineen ennustukset ovat osuneet hyvin oikeaan.

      1. Martti V sanoo:

        Viime vuonna XENONin mahdollisesti detektoima aksioni olisi hyvin hedelmällinen löytö. Onko tarkempia eksperimenttejä tiedossa lähivuosina?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tosiaan, siitähän kirjoitin täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/tonni-tankissa

          XENON-ryhmän kokeelta XENONnT odotetaan uusia tuloksia tänä vuonna (tai ehkä ensi vuonna). En tiedä etsivätkö muut tutkimusryhmät samanmassaista aksionia, kaikenlaista erilaisten aksionien metsästystä on kyllä käynnissä.

  4. Jyri T. sanoo:

    Onko pohdittu sellaista vaihtoehtoa, että jostain syystä pimeä aine ei pysty ”lokalisoitumaan” — eli jostain syystä tavallisten hiukkasten kyky muuttua tarvittaessa ”aallosta hiukkaseksi” ei koskekaan pimeää ainetta vaan se pysyy (nykyenergioissa) aina aaltomuodossa?

    Siinä tapauksessa pimeän aineen hiukkasia etsittäisiin aivan turhaan.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hiukkaset eivät muutu aallosta hiukkaseksi tai toisinpäin, vaan aalto ja hiukkanen ovat malleja, jotka kuvaavat joissakin olosuhteissa hiukkasten käytöstä. Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/pikkuhyrrien-kertomaa/

      1. Jyri T. sanoo:

        Ymmärsit kysymykseni konkreettisemmin kuin oli minun tarkoitukseni. Kokeillaan uudelleen vähän abstraktimmalla otteella:

        Onko pohdittu malleja, joissa pimeän aineen aaltofunktio ei toimi samalla tavalla kuin tavallisen aineen aaltofunktio? Siten se ei vuorovaikuttaisi edes teoriassa millään muulla tavalla kuin gravitaation kautta ja sitä olisi mahdotonta havaita hiukkasilmaisimilla?

        Esimerkiksi fermionit ja bosonit käyttäytyvät (osin) eri tavalla koska spin. Ehkä tavallisella ainehiukkasella ja pimeällä ainehiukkasella on jokin kvantittunut opminaisuus, joka estää niitä reagoimasta toisiinsa?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Malleja, joissa pimeä aine vuorovaikuttaa vain gravitaation (ja mahdollisesti muiden yhtä heikkojen) vuorovaikutusten kautta on tutkittu paljon. Tunnetuin esimerkki on supergravitaatioteorioiden gravitiino (gravitonin supersymmetrinen partneri).

  5. Antti sanoo:

    taas kerran mielenkiintoinen läpileikkaus kuukauden aiheesta!

    Riittääkö kvantti-painoteorian löytäminen selittämään galaksien
    rotaation teoreettisen virheellisyyden ja siten sulkisi pois
    pimeän aineen olemassaolon tarpeellisuuden tai vähintään muuttaisi asian
    hahmotusta tiedeyhteisöissä merkittävästi?

    Entä voisiko uusimmalla muon- g -2 löydöllä (mikäli se osoittautuu oikeaksi)
    mitään tekemistä pimeän aineen pois rajaamisessa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kvanttigravitaatiolla ei ole mitään ilmeistä yhteyttä niihin havaintoihin, joita pimeä aine selittää.

      On malleja, joissa myonin magneettisen momentin poikkeama liittyy pimeään aineeseen, mutta useimmissa malleissa näin ei ole.

  6. Leo Sell sanoo:

    Litium probleemiin liittyen. Mainitsemasi ”litiumin tuho alaspäin hajoamisena” vanhoissa tähdissä on varmaankin se todennäköisin selitys. Eikö myös ole mahdollista, että osa puuttuvasta litiumista löytyy niistä galaksiytimien muustien aukkojen sylkemistä miljoonaasteisista purkaussuihkujen seittirihmastoista, galaksien välitiloissa, joissa vetykin on ionisoitunut näkymätttömäksi protoniainekseksi. Aikoinaan v. 2018 ilmoitettiin, muistaakseni 20.6:tta, että baryonistakin ”kateissa” ollutta ainetta oli löytynyt se puuttuva kolmannes juuri näistä seiteistä, Tässä Fabrizio Nicastron tukimusryhmässä havainnot paikallistettiin mukana olevien happiatomien perusteella, niissäoli yhä tallella kahdeksasta elektronistaan 2kpl, jotka sitten splittaamalla ytimiensä kanssa antoivat puuttuvat signaalit massojen arvioinneille.

    Eikö osa puuttuvaksi arvioidusta BBN – alun nukleosynteesi ainesosuuksista litiumin osalta voisi selittyä näissä korkeissa lämpötioissa näkymättömäksi, eli elektroniensa kanssa splittaamattomaksi, ionisoituneella litiummassalla?

    Artikkeli: ”Last of universes missing ordinary matter”/ astrophysics, Fabrizio Nicastro

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mainitsemillasi rakenteilla ei ole mitään tekemistä mustien aukkojen kanssa.

      Litium-mittauksissa on kyse sen pitoisuudesta vanhoissa tähdissä. Ajatuksena on ollut, että koska litiumia ei synny missään tunnetuissa prosesseissa, niin vanhojen tähtien syntyessä niiden litium-pitoisuus vastaa alkuperäistä pitoisuutta, koska sitä ei ole vielä ehtinyt tuhoutua. On vaikuttanut siltä, että nämä tähdet eivät myöskään itse tuhoa litiumia, mutta nyt vaikuttaa siltä, että niin kuitenkin saattaa tapahtua.

      Tällä ei ole mainitsemiesi rakenteiden kanssa mitään tekemistä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Hienosta karkeaan

29.6.2021 klo 18.41, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Joskus törmää käsitykseen, että fysiikka on täsmällistä kuten matematiikka; jotkut puhuvat ”eksakteista tieteistä”. On kuitenkin erilaisia täsmällisyyden asteita, ja fyysikot ja matemaatikot suhtautuvat täsmällisyyteen eri tavoin.

Tutkimuksessaan Beamtimes and Lifetimes antropologi Sharon Traweek mainitsee, että teoreettiset hiukkasfyysikot arvostelevat kollegoitaan siitä, että nämä ovat liian matemaattisia. Pitääkin paikkansa, että teoreetikot yleensä pitävät sellaista matematiikkaa, joka on kehittyneempää kuin mitä he itse käyttävät joko tarpeettomana hienosteluna tai fysiikalle lähtökohtaisesti merkityksettömänä. Vastaavasti matematiikkaa, joka on vähemmän kehittynyttä kuin omassa käytössä oleva pidetään liian alkeellisena. Yksi hiukkasfysiikan puolelta tullut kosmologikollega kerran kutsui astrofyysikkojen käyttämää matematiikkaa kivikautiseksi. Vähemmän kehittyneiden matemaattisten menetelmien voidaan myös katsoa kertovan siitä, että niiden käyttäjä ei ole kovin terävä.

Tällä on pitkät perinteet: vielä suppean suhteellisuusteorian löytämisen aikoihin Albert Einstein piti kehittynyttä matematiikkaa tarpeettomana ja ajatteli, että fysikaalinen intuitio riittää. Tämä olikin kenties syynä siihen, että keskeisen oivalluksen siitä, että teoriassa ei ole kyse vain suhteellisesta ajasta ja avaruudesta, vaan absoluuttisesta aika-avaruudesta, teki Hermann Minkowski eikä Einstein. Yleisen suhteellisuusteorian kohdalla tämä lähestymistapa ei enää riittänyt, teoria vaati perehtymistä fysiikalle ennennäkemättömään avaruuksien hienosyiseen matematiikkaan, jonka matemaatikot olivat 1800-luvulla löytäneet.

Matemaattinen fyysikko Peter Goddard on maininnut vuodelta 1971 yhden kuvaavan esimerkin tuon ajan hiukkasfyysikoiden asenteesta (50 vuodessa on tapahtunut muutosta). Luennoitsija teki taitavasti monimutkaisia laskuja ja kääntyi yleisöön sanoen: ”Minulle on kerrottu, että tämän kaiken voi tehdä helpommin, jos käyttää ryhmäteoriaa. Mutta minä sanon teille, että jos olet vahva, niin et tarvitse ryhmäteoriaa.”

Traweek toteaa, että matemaatikot (kuten myös taiteilijat) ovat kuitenkin hiukkasfyysikoiden normaalin arvojärjestyksen ulkopuolella. (Sen huipulla on luonnollisesti hiukkasfysiikka, vaikka usko omaan erinomaisuuteen onkin Traweekin kartoittamasta 1970-80-luvusta horjunut, koska suosituista teorioista ei ole löytynyt hiukkaskiihdyttimissä merkkiäkään.) Matemaatikoiden täsmällisyyttä ja matemaattisten rakenteiden tuntemusta kunnioitetaan, vaikka siihen voidaan samalla suhtautua huvittuneesti, koska joitakin matemaatikkojen tutkimia asioita pidetään ilmeisinä tai yhdentekevinä. Tämä saattaa liittyä osittain siihen, että fyysikot eivät täysin hahmota, mitä matemaatikot oikein tekevät.

Minullakin oli aikoinaan sellainen hämärä käsitys, että matemaatikkojen suhde matematiikkaan on samanlainen kuin fyysikoilla, vain huolellisempi. Matematiikassa on kuitenkin tutkimusaiheena matematiikka, eli (fyysikon karkeasti sanomana) mahdolliset loogiset suhteet asioiden välillä. Fysiikassa taas matematiikka on työkalu luonnon ymmärtämiseen. Liiallista mielenkiintoa työkaluun työstettävän asian sijaan pidetään turhanaikaisena. Fysiikassa on täsmällisyyden asteita: teorioiden soveltamisessa matematiikkaa saatetaan kohdella reseptikirjana, vailla mielenkiintoa siihen miksi asiat pitävät paikkansa, toisaalta teorioiden muotoilussa voidaan mennä syvälle matemaattiseen rakenteeseen.

Täsmällisemmästä päästä ovat fyysikoiden ja matemaatikoiden rajalla olevat niin kutsutut matemaattiset fyysikot. Fyysikot pitävätkin heitä matemaatikkoina – en ole varma, mitä mieltä matemaatikot ovat. Matemaattiset fyysikot tutkivat matemaattisia rakenteita, joita pidetään fysiikalle oleellisina. Fyysikot eivät tosin aina ole niiden oleellisuudesta samaa mieltä. Olen kuullut erottelun, jonka mukaan fyysikot etsivät menetelmiä ongelmiensa ratkaisemiseen, kun taas matemaattiset fyysikot etsivät ongelmia, joihin käyttää menetelmiään. (Puhuja ei ollut matemaattinen fyysikko.)

Fields-mitalilla palkittu matemaatikko Alain Connes on todennut, että (kenties matemaattisten) fyysikoiden ”jokseenkin vapaa” suhtautuminen matematiikkaan on ”omaperäinen ja tuottoisa”, ja sillä on ollut hyvin positiivinen vaikutus. Hän viittasi erityisesti säieteorian yhteydessä ja liepeillä tehtyyn tutkimukseen, missä fyysikot ovat löytäneet uusia matemaattisia rakenteita ja yhteyksiä, joita matemaatikot ovat sitten tarkemmin ymmärtäneet. Säieteoria lieneekin toistaiseksi antanut matematiikalle enemmän kuin fysiikalle.

Koska fyysikot ovat vähemmän täsmällisiä ja käyttävät rouheampaan ajatteluun soveltuvia työkaluja, he pystyvät etenemään matemaatikkoja nopeammin. Kolikon toinen puoli on se, että toisin kuin matemaatikoilla, fyysikoilla on usein epämääräinen kuva siitä, mitä tarkalleen on todistettu ja mitä ei, ja mitä oletuksia jokin tulos edellyttää: lyhyesti sanottuna, mikä on totta. Fysiikassa onkin niin kutsuttuja folkloreteoreemoja, kansanperinnelauseita, joissa on epäselvää mistä tuloksessa on tarkalleen kyse, mitä oletuksia oikein tehdään, ja joita kukaan ei ole ehkä koskaan osoittanut todeksi. Usein ne pitävät tarpeeksi hyvin paikkansa, joskus kompastuu niiden puutteisiin – ja toisinaan tapahtuu edistystä, kun vedenpitäväksi luullusta asiasta paljastuukin rako, josta avautuu uusi näkymä.

23 kommenttia “Hienosta karkeaan”

  1. Cargo sanoo:

    ”Minulle on kerrottu, että tämän kaiken voi tehdä helpommin, jos käyttää ryhmäteoriaa. Mutta minä sanon teille, että jos olet vahva, niin et tarvitse ryhmäteoriaa.”

    Kyseessä lienee hiukkasten kulmaliikemäärien tai spinien yhteenlasku sekä Clebsch-Gordan-kaavan soveltaminen? (Itse en ole aiheeseen tutustunut.)

    ”Matemaattiset fyysikot tutkivat matemaattisia rakenteita, joita pidetään fysiikalle oleellisina. Fyysikot eivät tosin aina ole niiden oleellisuudesta samaa mieltä.”

    Eräs melko abstraktin matematiikan tulos on se, että neliöintegtoituvien funktioiden avaruudessa itseadjungoituvien operaattorien negatiiviset ominaisarvot muodostavat diskreetin joukon. Fysikaalinen vastine on luonnollisesti vetyatomin hamiltoni sekä sidotut ja siten negatiiviset energiatilat (vedyn spektri). Myös arkiajattelulle vieraan epätarkkuusperiaatteen esittäminen Fourier-muunnoksen avulla on suht yllättävä tulos.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei ollut. Ryhmäteoriaa käytetään fysiikassa useissa yhteyksissä. Lisätietoja tässä tapauksessa on tekstissä linkatussa blogimerkinnässä https://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?p=657

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Nathan Seiberg pohdiskelee fysiikan ja matematiikan yhteyttä Quantum Magazinen haastattelussa.

    https://www.quantamagazine.org/nathan-seiberg-on-how-math-might-reveal-quantum-gravity-20210624/

  3. Joksa sanoo:

    YST:n laatija suhtautui itsekin suurella varauksella joihinkin matemaattisiin ennusteisiin. Matematiikassahan hypoteesin johtaessa ristiriitaan hypoteesi hyljätään mutta kosmologiassa ei koska useat muut teorian ennusteet ovat olleet oikeita.

    YST:n aikakuvaushan on perusristiriitainen: kaikki mahdolliset havainnoijat elävät samaa yhteistä nyt-hetkeä maailmankaikkeuden iän suhteen mutta ominaisaikamatemaatikot eivät sitä ole onnistuneet löytämään. Löytyisiköhän jos korjataan havainnoijien ajat gravitaation ja liikkeen vaikutuksesta taustasäteilyn nolladipolaariin ja merkataan yhtäsuuriksi?)

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hypoteesien ja havaintojen suhteesta fysiikassa, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/edistys-ja-rappio/

      Kosmologiassa (eikä missään muuallakaan) ei ole mitään kiistattomia yleisen suhteellisuusteorian vastaisia havaintoja. Päin vastoin, yleinen suhteellisuusteoria on tarkasti ja onnistuneesti ennustanut lukuisia havaintoja yli sata vuotta.

      Kuvauksesi yleisen suhteellisuusteorian aikakäsityksestä ei pidä paikkaansa, eikä yleisessä suhteellisuusteoriassa ole sisäisiä ristiriitoja. (Paitsi singulariteetit, jotka rajaavat teorian pätevyysaluetta.) Ajasta yleisessä suhteellisuusteoriassa vähän täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaksi-tarinaa-ajasta/

      Tämä riittäköön tästä.

  4. Kari Leppälä sanoo:

    Luin mielenkiinnolla, koska aavistan että tässä ollaan jollain lailla luonnontieeen perusasioiden äärellä. Omat taitoni eivät valitettavasti riitä keskustelun kunnolliseen seuraamisen mutta kiinnostavaa joka tapakseessa. Filosofit puuhaavat mielellään tieteen ”raja-alueilla”, vakka jopa perusasioiden tajuaminen vaihtelee kovasti. Et maininnut filosofeja. Joko he ovat pudonneet kelkasta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mitä tarkoitat kelkasta putoamisella? Filosofit käyttävät matematiikasta lähinnä vain logiikkaa (ja sitäkin vain pieni osa), ja ymmärtääkseni näillä tutkimuksilla on vain jonkin verran annettavaa matemaattisille loogikoille, eikä mitään muille matemaatikoille saati fyysikoille.

      1. Eusa sanoo:

        Matematiikassa ja matemaattisessa fysiikassa on runsaastikin aihetta filosofialle; esim. rakenteellisen emergenssin ja kätisyyden kysymykset sekä mittausongelmassa useat näkökulmat.

        Kuitenkin filosofia on suuntautunut laajalti mm. ontologisiin erikoiskysymyksiinsä ja on harvoja matematiikkaa ja fysiikkaa syvällisesti opiskelleita filosofeja. Toisaalta matematiikan/fysiikan alan tutkijoiden lipsahtelu filosofointiin ei ole muodissa nyt.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Päin vastoin, kosmologisiin kysymyksiin ja säieteoriaan liittyen fyysikot ovat viime aikoinan kirjoitelleet paljon tieteen filosofiasta, ja tieteen filosofit ovat käsitelleet paljon näitä kysymyksiä.

          1. Eusa sanoo:

            Ok. Tietysti filosofiinen näköala on maastotilannesidonnainen. Säieteorian merkityskysymykset ovat mielenkiintoisia mutta ehkä tarvitaan sieltä vielä niitä ennustevoimaisuuksia.

            Tarkoitan lähinnä fundamentaalimman jo todennetun matemaattisen fysiikan filosofista edistämistä. Tulkintojen seoksesta voisi saada irti muutakin kuin inttämistä, osin denialististakin…

            Ontologisen arvioinnin keskeneräisyys mielestäni näyttäytyy sellaisissa kysymyksissä kuin ajassa taaksepäin matkustamisen mahdollisuuden elättely – tuntuisi, että fysiikan, matematiikan ja filosofian yhdistelmällä moisen mahdottomuuden osoittaminen pitäisi olla 99% varmuudella selviö.

            Lisäksi luonnonfilosofisten käsitteiden konsensusmäärittelyissä olisi paljon työsarkaa. Täsmällinen sitominen ilmiöihin ilman tulkintoja tulisi olla kirkas tavoite.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Se, onko ajassa taaksepäin matkustaminen mahdollista tai mahdotonta ei ole filosofinen tai matemaattinen kysymys, vaan se riippuu siitä, millaisia fysiikan lait ovat. Tällä hetkellä tuntemuksemme niistä ei riitä kertomaan mikä on asian laita, eikä mikään määrä filosofisia tai matemaattisia tarkastelua muuta asiaa.

          3. Syksy Räsänen sanoo:

            Aikamatkustus menee sen verta kauas merkinnän aiheesta, että ei siitä sen enempää.

      2. Kari Leppälä sanoo:

        No tarkoitin että vieläkö ne jaksaa olla kiinnostuneita fysiikasta. Oma kiinnostukseni kohdistuu ”tekoälyyn”, laitoin tosin lainausmerkkehin. Aihe sivuaa kognitiota, itsen käsitettä ja kokemista; en näe niissä mitään erityisen outoa mutta ns mielenfilosofit on sillä puolella aktiivisia. Logiikkaa tosiaan näkee joskus, mutta metodi näyttäisi olevan käsiteanalyysi ja omien kieleen nojaavien ajatusrakennelmien rjkentelu. Sellainen filosofi kuin Alfed Mele lähtee tästä ja päätyy kumoamaan kaikki luonnontieteet, jollain fundamentaalilla tavalla väärinä. No ehkä hän on ääriajattelija.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          En osaa antaa kunnollista vastausta, koska en juuri tunne filosofiaa. Mutta kuten toiseen kommenttiin vastasin, viime vuosina ovat filosofit kommentoineet ahkerasti kosmologiaan, säieteoriaan ja teorioiden varmentamiseen liittyen. Fysiikan kannalta siltä on ollut vain marginaalisesti merkitystä.

        2. Kari Leppälä sanoo:

          Nimi tietysti oikein kirjoitettuna Alfred Mele …

  5. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: ”Se, onko ajassa taaksepäin matkustaminen mahdollista tai mahdotonta ei ole filosofinen tai matemaattinen kysymys, vaan se riippuu siitä, millaisia fysiikan lait ovat. Tällä hetkellä tuntemuksemme niistä ei riitä kertomaan mikä on asian laita, eikä mikään määrä filosofisia tai matemaattisia tarkastelua muuta asiaa.”

    Napakasti sanottu. Tosiaan maailma näyttää olevan pullollaan (kymmeniä/satoja) enemmän tai vähemmän perusteltuja näkemyksiä ensinnäkin siitä, mitä voidaan olettaa jo tunnettujen fysiikan lakien perusteella tai etenkin niiden ”tunnettujen ei tunnettujen” tai ”ei tunnettujen ei tunnettujen” lakien perusteella; eli liikkuen reilusti sekä suhteellisuusteorian että tunnetun kvanttifysiikan ulkopuolella (tai ainakin ulkopuolella niiden ”normitulkinnan”).

    Usein näitä lukiessa tuntuu siltä, että eritasoisia filosofisia ajatelmia ei näemmä (turhaan) rajoita niin triviaali periaatteellinen asia kuin fysiikan lait (tai niitä ”sävelletään” surutta opportunistisesti oman rakennelman ylläpitoon). Sanottakoon kuitenkin, että tietysti meillä on paljon perin vakavasti otettaviakin fysiikan rakennelmia yli nyt tunnetun fysiikan, ei siis pelkkää filosofista pohdintaa.

    1. Eusa sanoo:

      Säieteorian voi katsoa olevan matemaattisfilosofinen rakennelma, jota ”fysiikan lait” eivät rajoita – toki halua on löytää se versio, jossa lainalaisuudet totetuisivat…

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Ei säieteoriasta sinällään nyt sen enempää, elleivät kommentit koske matematiikan ja fysiikan suhdetta.

  6. Antti sanoo:

    Hei Syksy oletko perehtynyt tähän naisen töihin tai onko
    nimi tullut vastaan missään?

    ”seuraava einstein” kuullostaa aika lupaavalta
    naisella on täydet pisteet kolmessa eri parhaassa
    yliopistossa Usan maaperällä ja neiti on rakentanut toimivan lentokoneen
    14 vuotiaana vanhempien autotallissa.

    https://www.youtube.com/watch?v=jQhn7XFaBug&t=2146s

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En.

  7. Gc sanoo:

    Jotkut fyysikot tuntuvat halveksivan erityisesti aksiomaattisia teorioita. Esimerkiksi juuri edesmenneen Weinbergin uusimassa kirjassa tästä on merkkejä. Einstein kai aikanaan yritti sovittaa Maxwellin aksiooomat omaan teoriaansa, mutta käsitykseni on että paljastui että Maxwellin aksiiomat ovat lähes kaikki vain yleisia matemaattisia totuuksia, ja vain yhdellä niistä on matemaattinen sisältö. On myöhemmin osoitettu että nämä aksiiomat pelaavat hyvin yleisenkin suhteellisuus teorian kanssa. Aksiomaattinen teoria juuri opettaa sen mitä oletetaan ja mistä oikeasti voidaan päätellä mitä.
    Enkvistikin on minusta sanonut kummallisia asioita Tieteessä Tapahtuu lehdessä esimerkiksi siitä että kvanttifysiikka on joten ”ylimatemaattista.” Minä uskon että joku joskus osaa saada jopa polkuintegraalit matemaattisesti hyvinmääritellyiksi. Ei ole syytä olettaa että juuri nyt matematiikan ja fysikan polut ovat eronneet lopullisesti. Minusta monesti matematiikka menee näpertelyksi ilman teoreettista fysiikkaa. On monia rakenteita joita tutkitaan, mutta jotka ovat jossain mielessä keinotekoisia, siis minusta. Esimeksi Diracin delta-mitta tai delta-distribuutio on valtavan tärkeä matematiikassa. Nykyiset yritykset polkuintegraalien määrittelyksi distribuutioiden kautta ovat minusta turhan abstrakteja. Teoreettiset fyysikot tekevät suurelta osin matematiikan hyvin, enkä usko että distribuutiot ovat siellä kovin suosittuja. Esimerkiksi Lebesguen integraalia ei opeteta, mikä on aivan oikein. Lebesguen integraalia tarvitaan siihen että funktio avaruuksista tulee täydellisia normi(en) määräämien topologioiden suhteen, mutta niissä harvoissa tapauksissa kun on epäselvää onko joku raja-arvo olemassa puhutaan fysiikassa yleensä vain jostain tietyistä funktioista, joten koko Hilbertin avaruutta ei mielestäni tarvita (Myös Weyl kirosi Hilbertin avaruutta) . Mitkä tahansa kantakertoimet (a_i)_{i=1}^\infty, joille pätee \sum_{i=1} |a_i|^2 kyllä määrittävät yhdessä minkä tahansa kannan kanssa neliöintegroituvan funktion. Jo yleinen neliöintegroituva funktio on aika abstrakti tapaus, puhumattakaan distribuutiosta. Fyysikot tekevät aivan oikein – siitä on etua, jos funktioiden tai potentiaalien joukko on hallittavampi.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Maxwellin sähkömagnetismin aksioomat eivät ole ”yleisiä matemaattisia totuuksia”, ja kaikilla niistä on ”matemaattinen sisältö”.

      Tämä riittäköön tästä.

      1. Gc sanoo:

        Tarkoitin että vain yhdellä niistä on varsinaisesti fysikaalinen sisältö. Kaikilla niillä on tietysti matemaattinen sisältö. Veikkaanpa että haluat vielä muuttaa vastaustasi, mutta se on vain minun veikkaukseni. Ja tarkoitin toki että mitkä tahansa kantakertoimet (a_i)_{i=1}^\infty, joille pätee \sum_{i=1} |a_i|^2 k < \infty minkä tahansa ortonormaalin kannan kanssa….

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Sankarien riisumista

22.6.2021 klo 20.23, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Tammikuisessa monimuotoisuuteen ja naisten asemaan fysiikassa keskittyvän NORNDiP-verkoston konferenssissa suositeltiin antropologi Sharon Traweekin teosta Beamtimes and Lifetimes: The World of High Energy Physics. Sain kirjan nyt luettua, ja se onkin mielenkiintoinen katsaus fyysikoihin.

Traweek tutki kokeellisten hiukkasfyysikkojen yhteisöä Yhdysvalloissa ja Japanissa 1970- ja 80-luvulla. Osa kirjan huomioista on vanhentuneita, mutta siinä on myös paljon oivalluksia, jotka pätevät yhä ja myös teoreetikoihin. Noihin aikoihin toisen maailmansodan jälkimainingeissa työnsä aloittanut fyysikoiden sukupolvi oli siirtymässä pois johtoasemista. Tämä fyysikoiden joukko suurelta osin määritti nykyisenkin kokeellisen toimintatavan ja kulttuurin.

Osallistuminen Yhdysvaltojen armeijan projekteihin sodan aikana oli opettanut fyysikoita hallinnoimaan suuria projekteja, viestimään päättäjien kanssa ja haalimaan rahoitusta. Toisaalta fysiikka oli osoittanut sodassa käyttökelpoisuutensa, mikä sai poliitikot alttiiksi rahoittamaan sitä avokätisesti. Kuten Traweek kuivasti huomauttaa, hiukkasfyysikot pitävät kuitenkin kohtuuttomana sitä, että suuri yleisö yhdistää heitä mitenkään yhdistetään aseteknologiaan, ja sodan jälkeen tehtiinkin rajanveto rauhanomaisen ja sotilaallisen tutkimuksen välillä.

Traweek kirjoittaa siitä sitä, miten tärkeää antropologille on sekä pitää ulkopuolinen näkökulma tutkimaansa yhteisöön että ymmärtää se sisältäpäin. Tämän ulkopuolisuuden saamiseksi hän muuttikin Yhdysvalloista Japaniin tutkimaan hiukkasfyysikoita myös siellä, erityisesti KEK-laboratoriossa. Vaikka Traweek yleistää turhan helposti japanilaisesta kulttuurista, hänen vertailussaan Yhdysvaltoihin on kiinnostavia havaintoja.

Traweek toteaa, että yksi keskeinen syy yhdysvaltalaisten laboratorioiden (erityisesti SLACin) japanilaisia parempaan menestykseen oli se, että Japanissa hallitus seurasi tarkkaan tutkimusprojektien rahankäytön yksityiskohtia, ja laitteita rakennettiin yritysten tukemisen ehdoilla. Yhdysvalloissa projekteilla oli enemmän vapautta käyttää rahaa ja enemmän valtaa rakentaa laitteet itse, ja ne tekivät yhteistyötä yritysten kanssa omista lähtökohdistaan.

Toisaalta vallan keskittyminen johtajalle ja sanomaton mutta tiukka hierarkia Yhdysvalloissa kummastutti japanilaisia tutkijoita. Traweekin mukaan Japanissa koko henkilöstö puhui laboratoriota koskevista kysymyksistä, ja johto teki päätöksensä keskusteltuaan asiasta laajasti. Yhdysvalloissa tärkeistä asioista eivät usein edes tienneet muut kuin johtoporras. Hän vertaa japanilaista yhteisöä perheeseen ja yhdysvaltalaista urheilutiimiin. Traweekin mukaan monet yhdysvaltalaiset tutkijat eivät edes tulleet ajatelleeksi, että yhteistyötä ja yhteistä päätöksentekoa korostava järjestely voisi tuottaa paremman tuloksen kuin keskinäinen kilpailu ja vahva johtaja.

Tähän liittyy uskomus siitä, että fysiikan yhteisössä korkein status on osoitus parhaista taidoista, ja palkkiot (kuten rahoitus ja kokeissa käyttöön annettu aika) jakautuvat aina ansioiden mukaan. Kuten Traweek kartoittaa, samaan aikaan fyysikot ovat usein sitä mieltä, että tietyt korkeassa asemassa olevat henkilöt (tyypillisesti kilpailevista ryhmistä) tekevät aivan onnettoman huonoa työtä. Tällaiset ristiriitaiset käsitykset ovat vieläkin osa hiukkasfysiikan yhteisöä.

Traweek setvii hyvin sitä, miten hatara käsitys fyysikoilla on alansa historiasta. Fyysikoita kiinnostaa menneisyydessä vain heidän suorat edeltäjänsä; vääriksi osoittautuneet ideat ja virheelliset kokeet eivät kuulu kertomukseen. Traweek ei juuri liioittele kirjoittaessaan, että ”heidän fysiikan historiansa on lyhyt hagiografia ja lista ihmeitä”. Tämä kuva rakentuu oppikirjoista alkaen, minkä yksi syy on se, että niiden tarkoituksena on opettaa tekemään fysiikan tutkimusta, ei kirjoittamaan fysiikan historiaa. Oppikirjat myös koulivat fyysikkojen yhteisöön ja opettavat millainen on hyvä fyysikko.

Traweekin kaikki analyysi ei vakuuta. Hän esimerkiksi kirjoittaa, että fysiikan kursseilla opetetaan vain ratkaisemaan tiettyjä ongelmia ja tunnistamaan miten uudet ongelmat ovat samanlaisia: siellä ei opeteta ” induktiota eikä deduktiota vaan analogista ajattelua”. Tämä analyysi vaikuttaa vieraalta, enkä oikein ymmärrä mitä hän tarkoittaa. Asiaan voi vaikuttaa se, että Traweekilla ei ole luonnontieteellistä koulutusta ja hän vaikuttaa perustavan johtopäätöksensä paljolti oppikirjoihin. Fysiikan oppikirjoja lukemalla niitä on varmasti vaikea ymmärtää, millaista on opiskelu, joka keskittyy ihmistieteitä enemmän tekemiseen eikä lukemiseen. Fysiikassa ei esimerkiksi opiskella erikseen fysiikan metodeja, vaan asioita opitaan käytännössä vähän kuin käsityössä sen mukaan mitä tarvitaan. Tämä suhde metodeiksi kutsuttuihin asioihin on erilainen kuin ihmistieteissä, ja niiden pääasiallinen oikeutus on se, että ne toimivat, mistä kokeet ja matematiikka antavat puolueettoman tuomion.

Traweekin mukaan antropologille on tärkeää olla ottamatta kantaa tutkimansa yhteisön uskomusten todenperäisyyteen, mikä on käsittääkseni tavallinen näkemys. Tämä tuntuu oudolta, koska uskomusten suhde todelliseen havaittuun maailmaan kertoo myös niiden syistä ja auttaa niiden ymmärtämistä. Uskomus siitä, että Aurinko nousee aamulla juontuu eri syistä kuin uskomus siitä, että Kristus nousee kuolleista.

Antropologinen näkökulma tuottaa kuitenkin valaisevia havaintoja esimerkiksi suhteessa säteilyturvallisuuteen. SLACissa kiihdytinalue on rajattu ulkopuolisesta julkisesta tilasta aidalle, minkä Traweek yhdistää kulttuuriseen rajanvetoon puhtaan ja saastuneen välillä, ja salatun ja kielletyn yhteyteen. Tätä voisi pitää ylitulkintana ja nähdä asian vain säteilyturvallisuuskysymyksenä, ellei ottaisi huomioon, että alueella ei SLACin mukaan oleellisesti ole säteilyvaaraa, eikä Japanin KEK-laboratoriossa ole vastaavia aitoja.

Muuten Traweekin kuvaukset kokeista ja laitteistoista eivät ole kirjan kiinnostavinta antia. Ne havainnollistavat kyllä sitä, miten paljon teknologia on kehittynyt. SLACin koeasema K-Zero rekisteröi 24 miljoonaa reaktiota viidessä ja puolessa vuodessa ja seuraavan sukupolven LASS rekisteröi saman määrän kolmessa kuukaudessa; nykyään LHC rekisteröi 40 miljoonaa törmäystä sekunnissa. Traweek kommentoi, että hiukkasfysiikka eroaa monista muista tutkimuksen aloista siinä, että laitteet edustavat kehittyneintä saatavilla olevaa teknologiaa, ja fyysikot itse suunnittelevat ja rakentavat ne itse, eivät hanki valmiina.

Kokeiden kuvauksen yhteydessä olevat Traweekin selitykset fysiikan sisällöstä menevät yllättävän usein hieman pieleen ottaen huomioon, miten pitkään hän oli tekemisissä fyysikoiden kanssa ja työskenteli sitä ennen SLACin suurelle yleisölle suunnatussa vierailijaohjelmassa. Myös laitteiden lukeminen sukupuolisten ja seksuaalisten vertauskuvien kautta on paikoitellen liioiteltua. Traweek esimerkiksi esittää SLACin (Stanford Linear Accelerator Center) esimerkkinä laboratorioiden ja kokeiden nimien sukuelimellisyydestä. (Englannin sana slack, joka äännetään samalla tavalla kuin SLAC, tarkoittaa velttoa.)

Enimmäkseen Traweekin huomiot sukupuolten jakaumasta ja niihin liittyvistä asenteista fyysikoiden keskuudessa ovat kuitenkin perusteltuja. Hän käsittelee myös jonkun verran rodullistettujen asemaa yhdysvaltalaisessa fysiikan yhteisössä, mutta tämä tarkastelu jää pinnallisemmaksi. Epätasa-arvo on yhä ongelma, mutta edistystä on tapahtunut, ja nykyään avoin naisten vähättely on harvinaisempaa. Minua yllätti, että 70-80-luvulla fyysikot pitivät itsestään selvänä, että he ovat naimisissa, ja juoruilivat ahkerasti naimattomien miesten vastuuttomasta romanttisesta elämästä tai seksielämästä, minkä katsottiin haittaavan heidän työtään. Tällaiseen en ole Euroopassa törmännyt, enkä usko sen elävän enää Yhdysvalloissakaan.

Traweekin havainnot juorujen eli epämuodollisen yhteisöä koskevan puheen tärkeästä roolista tiedon välittämisessä pitävät muuten monin osin vieläkin paikkansa. Samoin hänen kartoituksensa fyysikkojen omakuvan kehityksestä romanttisista sankareista (mikä opitaan oppikirjoista) kohti haavoittuvampaa ylevyyttä tuntuu yhä osuvalta. Huomiot aggressiivisesta keskinkertaisuuden väheksymisestä, käsityksestä fyysikoiden erinomaisuudesta verrattuna muihin tutkijoihin, ja tarpeeksi rajatuissa raameissa pysyvän itsenäisen ajattelun palkitsemisesta pätevät nekin vielä.

Traweek kirjoittaa liikuttavasti siitä, miten fyysikoiden pelot ja käsitys ajasta kehittyvät. ”Uransa aikana fyysikko oppii menneisyyden mitättömyyden, pelon siitä, että on liian vähän aikaa nykyhetkessä, ja ahdistuksen siitä, että tulee tarpeettomaksi liian nopeasti edistyvän tulevaisuuden myötä.” Traweekin mukaan fysiikan kulttuuri ”huolella ylläpitää näitä kauhuja, kuin ne olisivat hyvien fyysikoiden välttämättömiä moottoreita”. En ole varma, onko tämä totta, mutta aikaan liittyvät huolet ovat iso osa fyysikon arkea. Tämän tiimoilta kirjassa on yksi havainto, joka tuntuu nykynäkökulmasta surulliselta: kirjoitusaikaan vain korkeimmissa asemissa olevien fyysikoiden odotettiin hankkivan rahoitusta, nykyään se on kaikkien riesa.

Traweek aloittaa kirjansa siitä, miten fyysikot yleensä esitetään elämää suurempina sankareina, maailmankaikkeuden mysteerien papistona. Kirjan yksi tarkoitus on demytologisoida fyysikot, kuvata sitä, miten he todella ajattelevat, toimivat, puhuvat, ja ylläpitävät yhteisöään. Tarkastelun syvyyden vaatima rajoittuma kokeelliseen hiukkasfysiikkaan kahdessa maassa vie hieman pohjaa sen yleistyksiltä. Silti kirja auttoi paremmin jäsentämään omia kokemuksiani teoreettisessa hiukkasfysiikassa ja sille läheisessä kosmologiassa, vähentämättä romanttista kiintymystä niihin.

2 kommenttia “Sankarien riisumista”

  1. Cargo sanoo:

    ”Traweek kirjoittaa liikuttavasti siitä, miten fyysikoiden pelot ja käsitys ajasta kehittyvät. ’Uransa aikana fyysikko oppii menneisyyden mitättömyyden, pelon siitä, että on liian vähän aikaa nykyhetkessä, ja ahdistuksen siitä, että tulee tarpeettomaksi liian nopeasti edistyvän tulevaisuuden myötä.’ Traweekin mukaan fysiikan kulttuuri ’huolella ylläpitää näitä kauhuja, kuin ne olisivat hyvien fyysikoiden välttämättömiä moottoreita’.”

    Mutta eikö juuri nykyaikana ole erittäin todennäköistä, ettei fysiikan tutkija tee koko uransa aikana yhtä ainutta merkittävää löytöä? Kokeeko teoreettisen fysiikan supersuhdanne auringonlaskun ja saavatko fyysikot asennoitua olemaan maailmanselittäjinä samalla viivalla fenomenologien kanssa?

    ”Traweek aloittaa kirjansa siitä, miten fyysikot yleensä esitetään elämää suurempina sankareina, maailmankaikkeuden mysteerien papistona. Kirjan yksi tarkoitus on demytologisoida fyysikot, kuvata sitä, miten he todella ajattelevat, toimivat, puhuvat, ja ylläpitävät yhteisöään.”

    Mutta eikö vastapainoksi voisi sanoa, että vuorostaan humanistit kykenevät käsittämään asioita, jotka ovat luonnontieteilijöille täysin käsittämättömiä? 🙂

    Anyway, ainakin Einstein osasi ironisoida fysiikan sankarimyyttiä: ”When we are working at something, we come down from our high logical horse and sniff around with our nose to the ground. Then we obliterate our traces in order to become more God-like.”

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hiukkasfysiikka on tietysti vain pieni osa fysiikkaa, ja fysiikassa kokonaisuutena tehdään koko ajan löytöjä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Suti ja vasara

30.5.2021 klo 17.10, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Hiukkaskiihdyttimissä voi löytää uusia hiukkasia kahdella tavalla. Suoraviivaisinta on iskeä kaksi hiukkasta toisiinsa niin kovaa, että törmäyksessä syntyy etsitty hiukkanen. Toisaalta vaikka kokeessa ei syntyisi uutta hiukkasta, sen olemassaolon voi päätellä siitä sen vaikutuksesta tunnettuihin hiukkasiin.

Jo ennen kuin Higgsin hiukkanen luotiin protonien törmäyksillä vuonna 2012, sen olemassaolosta oli paljon epäsuoraa todistusaineistoa. Higgs antaa massan heikkoa vuorovaikutusta välittäville W– ja Z-bosoneille ja vaikuttaa niihin liittyviin hiukkasreaktioihin. Olisi ollut vaikea selittää muiden hiukkasten käytöstä ilman Higgsiä.

Yksi tällä hetkellä kiinnostava väylä uusien hiukkasten epäsuoraan havaitsemiseen on B-mesonit. Tiistaina kokeellinen fyysikko Mitesh Patel Iso-Britannian Imperial Collegesta puhui Helsingin yliopiston Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa niiden uusimmista kuulumisista.

B-mesonit ovat yhdistelmähiukkasia, jotka koostuvat yhdestä bottom-antikvarkista ja yhdestä up-, down-, charm- tai strange-kvarkista. Kvarkit ovat alkeishiukkasia, jotka esiintyvät vain sidottuina tiloina, joita kutsutaan hadroneiksi. (Paitsi hyvin kuumissa ja/tai tiheissä olosuhteissa varhaisessa maailmankaikkeudessa ja ehkä neutronitähtien keskustassa.) Hadroneita on pääasiassa kahdenlaisia: baryoneita, joissa on kolme kvarkkia ja mesoneita, joissa on yksi kvarkki ja antikvarkki. Myös monimutkaisempia yhdistelmiä on havaittu. Protoni on ainoa pysyvä hadroni. Vapaa neutroni hajoaa 15 minuutissa, muut hadronit hajoavat sekunnin murto-osassa.

Hiukkasten hajoaminen on sattumanvarainen tapahtuma, ja voidaan ennustaa vain se, millä todennäköisyydellä mitäkin hiukkasia syntyy ja mihin suuntaan ne liikkuvat. B-mesonin tapauksessa tämä voidaan periaatteessa laskea hiukkasfysiikan Standardimallista. Ongelmana on se, että kvarkit liikkuvat ja vuorovaikuttavat hadronien sisällä monimutkaisella tavalla. Niinpä on vaikea laskea tarkasti, miten mesoni hajoaa, etenkin silloin kun lopputulosten joukossa on toinen mesoni. Ongelma voidaan ohittaa siten, että ei verrata vain havaintoja ja teoriaa, vaan myös havaintoja toisiinsa.

Esimerkiksi ei osata tarkkaan laskea B-mesonin hajoamista K-mesoniksi ja elektroni-positroni-pariksi, eikä K-mesoniksi ja myoni-antimyoni-pariksi, eikä K-mesoniksi ja tau-antitau-pariksi. Mutta kaikissa kolmessa laskussa on sama ongelmakohta, eikä se vaikuta hajoamisten suhteeseen. Voidaan siis ennustaa, että kaikki nämä hajoamiset ovat (lähes) samanlaisia, vaikka ei osata laskea sitä, millaisia ne tarkalleen ovat.

Teorian mukaan B-mesoni siis hajoaa yhtä usein kaikiksi kolmeksi pariksi, ja parin jäsenet lentävät samoihin suuntiin, riippumatta siitä ovatko ne elektroneja, myoneja vai tauta antihiukkasineen.

Tänä keväänä julkistettujen CERNin LHC-kiihdyttimen LHCb-kokeen havaintojen mukaan kuitenkin B-mesoni hajoaa useammin elektroneiksi kuin myoneiksi. Jos Standardimalli pitää paikkansa, kerätyllä datamäärällä todennäköisyys tälle on 1:500. Kuten kokeellinen hiukkasfyysikko Tommaso Dorigo huomauttaa, tästä ei voi päätellä, että on tehty löytö 99.8% todennäköisyydellä. Koska kiihdytindatasta tarkistetaan satoja tai tuhansia erilaisia yhdistelmiä, sopii odottaakin, että vastaan tulee tällaisia tapauksia. Dorigo onkin valmis lyömään tuhat Yhdysvaltojen dollaria vetoa, että kyseessä ei ole uusi hiukkanen. Hiukkasteoreetikko Jester on sen sijaan varovaisen optimistinen.

Puheessaan Patel kuitenkin korosti sitä, että tämä ei ole ainoa B-mesonien hajoamiseen liittyvä poikkeama. B-mesoni hajoaa myoni-antimyoni-pariksi ennustettua harvemmin. Koska tässä hajoamistuotteissa ei ole mukana K-mesonia, tämän yleisyyden voi ennustaa tarkasti.

Kun laittaa poikkeamat yhteen, todennäköisyys sattumalle on naiivisti laskettuna 1:16 000, mikä alkaa olla vakuuttavaa. Lisäksi on havaittu, että syntyneiden hiukkasten suunnat poikkeavat Standardimallin ennusteista, mutta tämän kohdalla ennusteiden epävarmuus on toistaiseksi vielä iso.

Havainnoille olisi suhteellisen helppo selitys. Standardimallissa B-mesoni hajoaa samalla tavalla elektroneiksi, myoneiksi ja tauksi sen takia, että hajoamista välittävä Z-bosoni kytkeytyy samalla tavalla kaikkiin kolmeen hiukkaseen. Tämän voi muuttaa ottamalla mukaan uuden välittäjähiukkasen, joka vuorovaikuttaa eri tavalla näiden eri hiukkasten kanssa. Tällaiselle hiukkaselle on annettu mielikuvituksekas nimi Z’-bosoni. Toinen mahdollinen vaihtoehto on leptokvarkin nimellä tunnettu hiukkanen, joka muuttaa elektroneja, myoneja ja tauta kvarkeiksi ja toisinpäin (mikä on Standardimallissa mahdotonta).

Kuten tavallista, ongelmana on selittää, miksi muissa havainnoissa ei ole vielä näkynyt mitään. Jos kyseessä on uusi hiukkanen, sen massa on luultavasti hieman LHC:n nykyisten rajojen yläpuolella, eli se voi löytyä lähitulevaisuudessa. Mutta myös B-mesonien hajoamisesta saadaan lisää tietoa. Ehkä kiinnostavinta on se, että ensi maaliskuussa alkaa LHC:n kolmas havaintokausi, jonka aikana mitataan ensimmäistä kertaa B-mesonien hajoamista tau-antitau-pareiksi. Jos nyt esitetyt selitykset pitävät paikkansa, näiden hajoamisten pitäisi erota elektronihajoamisista vielä enemmän kuin myonihajoamisten.

Jotkut luonnehtivat viime kuussa julkistettuja tuloksia myonien magneettisesta momentista viimeiseksi toivoksi nähdä merkkejä Standardimallin tuonpuoleisesta hiukkasfysiikasta. Mesonien mittaukset osoittavat, että on olemassa toinenkin toivon reitti.

LHC:n käynnistyessä korostettiin sen törmäysten ennennäkemättömän korkeaa energiaa ja monet odottivat suuria löytöjä. Huomio kiinnittyi uusia hiukkasia etsiviin törmäyskokeisiin ATLAS ja CMS. Niiden dataa käytetään myös B-mesonien tutkimisessa, mutta nyt keskiöön on siirtynyt LHCb:n mittaamat pienet vaikutukset matalan energian tapahtumiin. B-mesonien hajoamisessa syntyneiden hiukkasen energiat ovat yli tuhat kertaa pienempiä kuin LHC:n protonitörmäyksissä. Aika näyttää, voittaako suti vasaran, vai jääkö Higgsin hiukkanen LHC:n ainoaksi löydöksi.

9 kommenttia “Suti ja vasara”

  1. Lentotaidoton sanoo:

    Niin tässä LHC:n tapauksessa hämminkiä ja sekaannusta yleisön silmissä on aiheuttanut sekä remontista että koronasta johtuneet viivytykset. Nythän LHC ei pyöri, eli nuo ilmoitetut tulokset perustuvat Run 2:n dataan. Tutkijoilla/teoreetikoilla on siis ollut hyvää aikaa syventyä ”vanhaan” dataan.

    Remontin jälkeinen aikataulu on venynyt eri syistä. Nyt Run3 alkaa maaliskuussa 2022 (kuten Räsänen sanoo), tosin koepyöritykset alkavat jo syyskuussa 2021. Tuolloin koko kone on aivan toista kuin Run kakkosen aikaan. Jos tämäkään ensi vuonna alkava kolmonen ei tuo selvyyttä mahdolliseen Standarditeorian ylityksiin niin saamme odottaa aina vuoteen 2027, jolloin totaalisti uudistettu High-Luminosity LHC (HL-LHC) alkaa operoimaan.

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Sekä leptokvarkit että Z´bosonit näkyvät olevan oikea uusi ”tarha” mahdollisuuksia Standarditeorian ukjopuolelle. Ehkä tosiaan tulevat LHCn uudistukset antavat jotain suuntaa:

    Leptoquarks (LQs) are hypothetical particles that would interact with quarks and leptons. Leptoquarks are color-triplet bosons that carry both lepton and baryon numbers. Their other quantum numbers, like spin, (fractional) electric charge and weak isospin vary among theories. Leptoquarks are encountered in various extensions of the Standard Model, such as technicolor theories, theories of quark-lepton unification (e.g., Pati–Salam model), or GUTs based on SU(5), SO(10), E6, etc. Leptoquarks are currently searched for in experiments ATLAS and CMS at the Large Hadron Collider in CERN.

    In particle physics, W′ and Z′ bosons (or W-prime and Z-prime bosons) refer to hypothetical gauge bosons that arise from extensions of the electroweak symmetry of the Standard Model. They are named in analogy with the Standard Model W and Z bosons.
    Types of Z′ bosons
    Various models of physics beyond the Standard Model predict different kinds of Z′ bosons.
    Models with a new U(1) gauge symmetry
    The Z′ is the gauge boson of the (broken) U(1) symmetry.
    E6 models
    This type of model contains two Z′ bosons, which can mix in general.
    Topcolor and Top Seesaw Models of Dynamical Electroweak Symmetry Breaking
    Both these models have Z′ bosons that select the formation of particular condensates.
    Little Higgs models
    These models typically include an enlarged gauge sector, which is broken down to the Standard Model gauge symmetry around the TeV scale. In addition to one or more Z′ bosons, these models often contain W′ bosons.
    Kaluza–Klein models
    The Z′ boson are the excited modes of a neutral bulk gauge symmetry.
    Stueckelberg Extensions
    The Z′ boson is sourced from couplings found in string theories with intersecting D-branes .

    1. Martti V sanoo:

      Leptokvarkit esiintyvät tosiaan GUT teorioissa. Mielenkiintoista jos jotain sen ennustuksia saadaan LHC kokeilla esiin. Kokeet protonin hajoamisesta ei ole toistaiseksi tuottanut tuloksia.

  3. Martti V sanoo:

    Selkeä kirjoitus. Leptokvarkkien suora havainnointi taitaa olla ulottumattomissa. Nehän hajovat siis kvarkeiksi ja leptoneiksi ennen higgs kentän jäätymistä. Voitko avata hieman miten leptokvarkit selittäisivät merkinnässä esitettyjä tuloksia.?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Standardimallissa sähkömagneettinen vuorovaikutus ja värivuorovaikutus eivät välitä reaktioita, missä tau, myoni tai elektroni muuttuisivat toisikseen. Heikon vuorovaikutuksen W- ja Z-bosonit tekevät niin. Ne kytkevät kaikkiin noihin kolmeen hiukkaseen samalla tavalla.

      Spekulatiivinen lepokvarkki tai X-bosoni välittää reaktioita, missä kvarkit ja leptonit muuttuvat toisikseen. Standardimallissa ei ole tällaisia reaktioita. Kuten Q- ja Z-bosonit, X-bosoni tyypillisesti kytkeytyy samalla tavalla kaikkiin kolmeen yllämainittuun hiukkaseen. Tällöin sen massan täytyy olla hyvin korkea, koska muuten se välittää reaktioita, missä protoni hajoaa koska yksi kvarkki muuttuu elektroniksi ja muiksi hiukkasiksi.

      Näitä havaintoja selittävissä malleissa on kolme perhettä leptokvarkkeja, yksi elektronille, yksi myonilla ja yksi taulle. Elektroneihin kytkeytyvän leptokvarkin massan pitää yhä olla iso, mutta myonin ja taun leptokvarkkien massat voivat olla pieniä. Havaintoihin sopii, että myoniin kytkeytyvän leptokvarkin massa olisi noin 40 TeV. Tällainen leptokvarkki muuttaisi b- ja s-kvarkkien ja myonien vuorovaikutusta sopivan määrän.

      1. Martti V sanoo:

        Kiitos hyvästä vastauksesta.

  4. Lentotaidoton sanoo:

    Eli tuo 40 TeV olisi pyöreesti 40 000 kertaa protonin massa! Aika jötikkä. Toisaalta tuo X-bosonin massa 10^15 GeV:kin on älytön eli 10^12 TeV. Taitaa insinööreillä olla monta mutteria kiristettävänä tulevaisuudessa.

  5. Antti sanoo:

    onko mitään uutta hiukkasta yleisessä etsinnässä samaan tapaan
    kuin oli Higgsin hiukkanen oli vuonna 2012?
    Eikö sillon ollut aika varma teoria että sellainen
    tulee vielä löytymään.
    Painovoima hiukkasen löytämiseen menee
    aikaa kymmeniä vuosia, veikkaisin, mutta
    onko mitään muita varteen otettavia hiukkasia
    tuloillaan?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Useita uusia hiukkasia etsitään, mutta minkään olemassaolle ei ole samanlaista vankkaa pohjaa kuin mitä Higgsille oli. Lähimmäksi tulee pimeän aineen hiukkanen, mutta sen ominaisuuksista on toistaiseksi erittäin vähän tietoa havainnoista, joten ehdokkaat ovat hyvin erilaisia. Oma suosikkini on kevyet oikeakätiset neutriinot: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/

      Gravitoni on tapa kuvata yleisen suhteellisuusteorian tiettyjä piirteitä, ei hiukkanen samassa mielessä kuin hiukkasfysiikan hiukkaset. (Ja yksittäisen gravitonin havaitseminen niissä prosesseissa, joita niillä kuvataan, on tosiaan hankalaa.)

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Ekologinen eläintarha

26.5.2021 klo 16.56, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin kymmenen vuotta sitten mustista aukoista seuraavasti:

”Tällä hetkellä mustat aukot ovat tunnetun fysiikan rajalla: enemmän kuin pelkkiä arveluita, mutta vailla kiistatonta kokeellista varmennusta. Aihe yhdistää eri aloja: teoreettista ja kokeellista astrofysiikkaa, gravitaatioaaltojen fysiikkaa, hiukkasfysiikkaa ja suhteellisuusteoriaa. Tilanteessa on mielenkiintoisia teoreettisia mahdollisuuksia, ja kokeellinen tutkimus voi tarjota jotain sykähdyttävää.”

Neljä vuotta myöhemmin saatiin ensimmäinen suora havainto gravitaatioaalloista. Havaintoja on julkistettu nyt 50, ja suurin osa niistä vastaa hyvin yleisen suhteellisuusteorian ennusteita mustien aukkojen törmäyksistä. Jokusessa ainakin yksi parin jäsen on neutronitähti, ja muutamassa törmäilijöiden turhan pieni tai yllättävän korkea massa on herättänyt epäilyjä siitä, onko kyseessä sittenkään musta aukko tai neutronitähti, ainakaan tähden romahduksesta syntynyt.

Vuonna 2019 Event Horizon Telescope otti ensimmäisen valokuvan tapahtumahorisontin lähistöltä. Vuonna 2020 Nobelin palkinto meni (taas) mustille aukoille, teoreettisesta todistuksesta niiden muodostumisesta ja tarkoista havainnoista Linnunradan keskustan mustan aukon tienoilta.

Nyt on mustien aukkojen kulta-aika, ja niin tähtitieteilijät, kosmologit, kvanttigravitaatioteoreetikot kuin hiukkasfyysikotkin ovat kiireisiä aiheen parissa. Voisi siis luulla, että mustien aukkojen olemassaoloa ei enää juuri kyseenalaisteta. Asia on kuitenkin juuri päinvastoin. Koska on paljon uusia havaintoja, on mahdollista tarkemmin selvittää, onko kyse todella mustista aukoista.

Kappaleille, jotka näyttävät suunnilleen mustilta aukoilta on annettu nimi Eksoottinen Kompakti Objekti eli EKO (engl. Exotic Compact Object, ECO). Niitä on iso eläintarha, kuten fysiikassa vaihtoehtoisten kappaleiden tai hiukkasten kokoelmaa yleisesti kutsutaan. Eläintarha voidaan jakaa kahteen luokkaan.

Ensimmäisessä luokassa ovat kappaleet, jotka korvaavat mustat aukot. Yleinen suhteellisuusteoria ei ehkä kuvaa romahduksen lopputulosta täysin oikein, vaan se on yleisen suhteellisuusteorian pätevyysalueen ulkopuolella. Tällöin tarvitaan laajempi teoria gravitaatiosta –kuten säieteoria, silmukkakvanttigravitaatio tai jokin muu spekulatiivinen teoria– kertomaan mitä tapahtuu.

Yksi vaihtoehto on se, että kvanttifysiikka estää tapahtumahorisontin muodostumisen, ja tähti romahtaa loputtomasti, aina vain hitaammin. Toisaalta mustat aukot korvaavilla kappaleilla voi olla monimutkainen sisärakenne, joka vaikuttaa niiden käytökseen. Jacob Bekenstein oivalsi ja Stephen Hawking osoitti 1970-luvulla, että mustilla aukoilla on lämpötila ja entropia. Entropia on suure, joka mittaa sitä, montako toisistaan erotettavaa rakennuspalikkaa kappaleella on. Mustien aukkojen entropia herättää kysymyksen siitä, millainen niiden sisärakenne on.

Jotkut pitävät säieteorian suurena saavutuksena sitä, että siitä laskettiin mustilla aukoilla olevan juuri se entropia, minkä Bekenstein ja Hawking olivat päätelleet, ja selitettiin mitä niiden sisällä on. Lasku ei kuitenkaan kuvaa sellaisia mustia aukkoja, joita on oikeasti olemassa. Myös silmukkakvanttigravitaatiosta on laskettu sama entropia, mutta laskussa on tehty oletuksia, jotka eivät kaikkia vakuuta. On siis erilaisia ideoita siitä, mitä mustien aukkojen sisällä on, mutta asiasta ei ole varmuutta.

EKOjen toinen luokka ovat pienet ja tiheät kappaleet, jotka eivät korvaa mustia aukkoja vaan ovat olemassa niiden lisäksi. Ne eivät välttämättä synny tähtien romahduksessa, vaan aivan muulla tavoin. Tutkituin vaihtoehto on bosonitähdet.

Alkeishiukkasia on kahdenlaisia: fermioneita ja bosoneita. Tuntemamme aine koostuu fermioneista. Fermioneja ei voi olla kahta samassa tilassa. Tämän takia niistä voi pinota monimutkaisia rakenteita, ja atomit ja neutronitähdet pysyvät koossa.

Bosoneita voi sen sijaan olla samassa tilassa miten monta tahansa. Esimerkiksi laserissa on monta valohiukkasta samassa tilassa. Valo ei voi muodostaa rakenteita, koska se on massatonta ja liikkuu siksi valonnopeudella. Mutta jos on olemassa bosoni, jolla on massa ja joka ei hajoa nopeasti, niin sen hiukkaset voivat samassa tilassa yhtyä suureksi tähdeksi, joka on kuin jättimäinen alkeishiukkanen.

Bosetähdet voivat kenties räjähtää, ja tällaisen bosenovan voisi havaita. (Tässä näkyy fysiikan huumori: sana bosenova kuulostaa samalta kuin musiikkilaji bossa nova.) Toisaalta niiden törmäyksiä voisi havaita gravitaatioaaltojen kautta, mustien aukkojen tapaan. Bosonitähtien koko määräytyy hiukkasen massasta. Koska havaituissa gravitaatioaalloissa näkyy iso kirjo massoja, vain pieni osa niistä olisi mahdollista selittää bosonitähdillä.

Kummankin luokan EKOilla on neljä keskeistä ominaisuutta, jotka voivat olla erilaisia kuin mustilla aukoilla: koko suhteessa massaan, muoto, pinnan heijastavuus ja tapahtumahorisontti (tai sen puute).

On sikäli helppo etsiä merkkejä vaihtoehdoista mustille aukoille, että mustat aukot ovat hyvin yksinkertaisia kappaleita. Kaikki yksinäiset samanmassaiset ja yhtä nopeasti pyörivät mustat aukot ovat samanlaisia. Ne ovat symmetrisiä pyörimisakselin suhteen, ja samanlaisia kiertotaso ylä- ja alapuolella. Jos musta aukko ei pyöri, se on pallomainen. Lisäksi mustan aukon pinta ei heijasta lainkaan, vaan imee kaiken mikä siihen osuu, eikä sen sisältä tule mitään ulos, eli sillä on tapahtumahorisontti.

EKOt voivat pyöriessään ja toisiaan kiertäessään puristua eri tavoin, menettää energiaa sisäisen möyrinnän takia (aivan kuten tähdet) ja heijastaa osan gravitaatioaalloista.

Havaintojen tulkintaa vaikeuttaa se, että kahden mustan aukon järjestelmässä on paljon enemmän vaihtoehtoja kuin yhden. Esimerkiksi pyörimisnopeuden lisäksi pitää ottaa huomioon se, miten mustien aukkojen pyörimissuunnat suhtautuvat toisiinsa ja siihen tasoon, missä ne kiertävät toisiaan. Mitä useampi luku järjestelmää kuvaa on, sitä vaikeampi on selvittää sen yksityiskohtia gravitaatioaaltohavainnoista.

Nyt tehtyjen havaintojen perusteella voidaan kuitenkin jo sanoa, että jos EKOilla ei ole tapahtumahorisonttia, niiden säde on korkeintaan 10% mustaa aukkoa isompi. Myös EKOjen mahdollisesti mustista aukoista poikkeavia muotoja on mitattu, mutta niille ei ole saatu kovin tarkkoja rajoja.

Jos EKOn pinta heijastaa gravitaatioaaltoja, voi syntyä kaikuja. Jotkut ryhmät ovat väittäneet löytäneensä havaituista gravitaatioaalloista kaikuja, mutta tarkempien analyysien mukaan väitetty signaali ei erotu kohinasta.

Vuonna 2034 taivaalle nouseva gravitaatioaaltodetektori LISA pystyy selvittämään asiaa tarkemmin. Nykyiset gravitaatioaaltodetektorit LIGO ja Virgo näkevät vain noin sekunnin pätkän gravitaatioaalloista. LISA pystyisi seuraamaan samoja kohteita vuosien ajan ennen törmäystä, mikä lisäisi datan määrää valtavasti, vaikka signaali onkin hieman heikompi, koska aallot ovat voimakkaimpia kappaleiden kohdatessa.

Lisäksi LISAn odotetaan näkevän pieniä mustia aukkoja kiertämässä galaksien keskustojen jättiläismäisiä mustia aukkoja. Niissä on se vaikeus, että radat ovat erittäin monimutkaisia, eikä niitä ole vielä pystytty laskemaan edes supertietokoneilla. Ongelman kääntöpuoli on se, että koska radat ovat herkkiä mustien aukkojen ominaisuuksille, havainnot antavat tarkkoja rajoja ison mustan aukon ominaisuuksille kunhan ennusteet saadaan laskettua.

Toistaiseksi kaikki havainnot sopivat yhteen yleisen suhteellisuusteorian ennusteiden kanssa, eikä ole mitään luotettavaa ennustetta, jonka perusteella gravitaatioaaltokokeiden odottaisi näkevän merkkejä kvanttigravitaatiosta tai uudenlaisista tähdistä. Gravitaatioaallot ovat kuitenkin osoittaneet kykynsä luodata yksityiskohtaisesti niinkin äärimmäistä ilmiötä kuin tapahtumahorisonttia. Tulevat havainnot vähintäänkin lisäävät ymmärrystämme siitä, miten tarkasti yleinen suhteellisuusteoria kuvaa aika-avaruutta.

21 kommenttia “Ekologinen eläintarha”

  1. Cargo sanoo:

    ”Yleinen suhteellisuusteoria ei ehkä kuvaa romahduksen lopputulosta täysin oikein, vaan se on yleisen suhteellisuusteorian pätevyysalueen ulkopuolella. […] Yksi vaihtoehto on se, että kvanttifysiikka estää tapahtumahorisontin muodostumisen, ja tähti romahtaa loputtomasti, aina vain hitaammin.”

    Eikö asia hoituisi myös lisäämällä uusi valon nopeuden vakioisuuteen verrattavissa oleva klassinen periaate? Saataisiin siis analoginen tulos sille, että kappaleen liike-energia kasvaa rajatta, kun nopeus lähestyy valon nopeutta, eli tässä tapauksessa kappaleen energiatiheys kasvaa rajatta, kun avaruuden kaarevuus lähestyy jotakin kriittistä arvoa. Ja koska äärettömyydet ovat epäfysikaalisia, niin mitään todellista mustaa aukkoa ei voisi muodostua.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Se, että valon nopeus on vakio ei ole fysiikan periaate. Se on tulos, joka seuraa sähkömagnetismin laeista.

      Se, että on olemassa suurin mahdollinen signaalinopeus on osa yleisen suhteellisuusteorian rakennetta, ei sekään erillinen periaate joka olisi lisätty erikseen.

      Tapahtumahorisonttiin ei liity ääretöntä kaarevuutta. Kaarevuus sen kohdalla riippuu mustan aukon koosta ja on sitä pienempi, mitä isompi musta aukko on. Mustan aukon keskustassa (yleisen suhteellisuusteorian mukaan) olevaan singulariteettiin liittyy ääretön kaarevuus, mutta sen muodostuminen on eri asia kuin tapahtumahorisontin muodostuminen.

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Nuo bosonitähdet ovatkin sitten mielenkiintoinen lisä perinteiseen kosmologiaan/tähtitieteeseen – jos totta, niinkuin slogani kuuluu.

    Ilmeisesti mitkään nykyään tunnetut bosonit eivät käy. Monasti spekuloitu on esim axioni (jota myös ehdotetaan pimeän aineen hiukkaseksi). Mainitsit tuon Loop Quantum teorian: siinähän ehdotetaan Planckin tähteä eli Planckin energiatiheyden muodostamaa tähteä (jossa Heisenbergin epämääräisyysperiaatteen synnyttämä poisto”voima” pitäisi tähden kasassa).

    Mitä arvelet näistä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En ole Planck-tähdistä kuullutkaan.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        In loop quantum gravity, a Planck star is a theoretically possible astronomical object that is created when the energy density of a collapsing star reaches the Planck energy density. Under these conditions, assuming gravity and spacetime are quantized, there arises a repulsive ”force” derived from Heisenberg’s uncertainty principle. In other words, if gravity and spacetime are quantized, the accumulation of mass-energy inside the Planck star cannot collapse beyond this limit to form a gravitational singularity because it would violate the uncertainty principle for spacetime itself

        https://en.wikipedia.org/wiki/Exotic_star

  3. Martti V sanoo:

    Kaikki tunnettu energia kvantisoituu riittävän pienessä mittakaavassa. Miksei myös aika-avaruus? Planckin tähti voi olla äärimmäinen tiheys. Singulariteetti oli jo Einsteinin mielestä ajatuksena vastenmielinen

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tunnetun fysiikan mukaan kaikki energia ei ole kvantittunutta, ainoastaan sidottujen tilojen energia.

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Eikö kaikki energia muodostu kvanteista? Tämähän oli paradigman muuttanut Einsteinin idea, joka selitti myös valosähköisen iilmiön ja mullisti klassisen fysiikan perustan.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kuten yllä kirjoitin: ei. Einsteinin idea valon kvantittumisesta oli tärkeä askel kohti kvanttiteoriaa, ei osa kokonaista teoriaa. Kvanttimekaniikan koko teoria löydettiin 1920-luvun puolivälissä, ja se ennustaa täsmällisesti, milloin energia on kvantittunut ja milloin ei. (Ja tietysti myöhemmin löydetty kvanttikenttäteoria tekee niin myös.)

          Menee sen verta ohi merkinnän aiheesta, että ei tästä sen enempää.

  4. Martti V sanoo:

    Harmi ettei kvanttigravitaatiolla ole ennusteita. Gravitonin etsiminen lienee turhaa. Kvanntifysiikka varmasti esiintyy singulariteetissa, mutta siitä ei koskaan saada ennnustettavia havaintoja. Singulraariteetin romahdus kestäisi ikuisesti joten voidaan ajatella että niitä ei ole toistaiseksi syntyntyt.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei singulariteetin syntyminen mustissa aukoissa yleisen suhteellisuusteorian mukaan kestä ikuisesti.

      1. Martti V sanoo:

        Ulkopuolisen havaitsijan näkökulmasta aikahan hidastuu loputtomasti

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kun musta aukko on muodostunut, mustan aukon ulkopuolella sen suhteen paikallaan olevan ja sinne vapaasti putoavan kellojen käynnin ero on tosiaan ääretön putoajan ylittäessä tapahtumahorisontin. (Ulkopuolisen havaitsijan näkökulmasta putoaja ei siis koskaan saavuta tapahtumahorisonttia.)

          Tämä ei tarkoita sitä, että tapahtumahorisontin tai singulariteetin muodostuminen kestäisi äärettömän kauan.

  5. Seniorikosmologi sanoo:

    Mitä nämä blogit olisivatkaan ilman lukijoiden kommentteja ja nihin annettuja vastauksia! Tosin vastauksia en aina ymmärrä. Useankaan lukemisen jälkeen en oivalla, mitä tarkoittaa bloginpitäjän viimeisen vastaksen kohta: ”….mustan aukon ulkopuolella sen suhteen paikallaan olevan ja sinne vapaasti putoavan kellojen käynnin ero on tosiaan ääretön putoajan ylittäessä tapahtumahorisontin”? Voisiko tuon sanoa selkokielellä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Vastauksia ei ole aina kirjoitettu siten, että ne ovat ymmärrettäviä kaikille, ainoastaan kysyjälle, koska asian avaaminen voisi olla kokonaan oma merkintänsä.

      Mutta selitettäköön nyt. Gravitaatio vaikuttaa kellojen käyntiin. Mitä voimakkaampi gravitaatiokenttä, sitä hitaammin kellot käyvät. Tämän takia esim. GPS-satelliittien kellot käyvät nopeammin kuin kellot Maan pinnalla. Mustien aukkojen tapahtumahorisonttia lähestyttäessä tämä ero kasvaa rajatta. Kellon käynti riippuu myös havaitsijan liikkeestä. Vapaasti putoava havaitsija ohittaa tapahtumahorisontin äärellisessä ajassa, ulkopuolella paikallaan olevan havaitsijan kellon mukaan putoaja ei koskaan saavuta tapahtumahorisonttia, koska liikkuu aina vain hitaammin.

  6. miguel sanoo:

    Minulle sana ääretön herättää aina kysymysmerkin. Se on matemaattisesti yhtä fundamentaali kuin valonnopeus fysiikassa (mikä sekin riippuu väliaineesta). Mikä tahansa luku kerrottuna äärettömällä antaa vastaukseksi ääretön. Ei ole olemassa 0,1 x ääretön tai 2 x ääretön. Vastaus on aina ääretön, ei enempää eikä vähempää.

    Vaikka tämä ei liity blogin aiheeseen, niin esim. äärettömässä universumissa on jossain joku kolkka, jossa joku kirjoittaa samanlaisessa huoneessa samaa tekstiä kuin minä sama taulu seinällä. Jos se on mahdollista kerran, se on mahdollista toisenkin kerran, ja äärettömyydessä niin ei tapahdu kahdesti, vaan äärettömän monta kertaa. Ja kaikki muut vaihtoehdot toteutuvat myös äärettömän monta kertaa.

    Jos kellon käyntien ero on ääretön (Kun musta aukko on muodostunut, mustan aukon ulkopuolella sen suhteen paikallaan olevan ja sinne vapaasti putoavan kellojen käynnin ero on tosiaan ääretön putoajan ylittäessä tapahtumahorisontin), niin mihin se oikeastaan vastaa ja jos matematiikka antaa vastauksen ääretön, niin pitääkö fysiikan totella matematiikkaa?

    En pidä sanasta ääretön.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Se, että jokin asia on ääretön ei tarkoita sitä, että se sisältäisi kaiken mahdollisen. Jos avaruus on ääretön (ei tiedetän onko näin), tämä ei tarkoita sitä, että kaikki mahdollinen tapahtuu jossain.

      Valonnopeus (eli suurin mahdollinen signaalinopeus) on eri asia kuin valon nopeus (nopeus jolla sähkömagneettiset aallot kulkevat) ks. https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsim assa/luonnottomia_lokeroita

      Menee sen verta ohi merkinnän aiheesta, että ei tästä tämän enempää.

      1. MarttiV sanoo:

        Kiitos vastauksesta. Äärettömyys on toki hankala ymmärtää. Onko tapahtumahorisontin kohdalla aika-avaruudessa jonkinlainen epäjatkuvuuskohta, jos infidesimaalinen siirtymä aiheuttaa äärettömän hypyn kellon käymisessä? Sanoit, että ulkopuolisen havaitsijan näkökulmasta tapahtumahorisonttia ei koskaan saavuteta. Kun musta-aukkoon syöksyy materiaa, niin eikö havaintojen persuteella kuitenkin sitä päädy kuitenkin tapatumahorisontin sisälle?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Ero kellojen käynnissä kasvaa jatkuvasti rajatta tapahtumahorisonttia lähestyttäessä.

          Ulkopuolisen havaitsijan näkökulmasta mikään kappale ei voi saavuttaa tapahtumahorisonttia äärellisessä ajassa. Mutta koska kappaleen lähettämä ja paikallaan olevan havaitsijan vastaanottama valo venyy rajatta kappaleen lähestyessä tapahtumahorisonttia, kappale häviäää näkyvistä äärellisen ajan kuluessa.

          Asiaa monimutkaistaa se, että kappaleet muuttavat mustan aukon tapahtumahorisonttia. Pienet kappaleet hyvin vähän, mutta kahden mustan aukon törmäyksessä niiden tapahtumahorisontit muuttuvat kokonaan ja sulautuvat yhteen.

  7. Joksa sanoo:

    Hawking itsekin päätyi lopulta epäilevälle kannalle mustien aukkojen suhteen. Tapahtumahorisonttikäsite tuntuisi ólevan perustavanlaatuisessa ristiriidassa myös gravitaatioaaltoilmiön kanssa. Nehän generoituvat ainakin osin käyttäen singulariteettien massaenergiaa, ja niiden välittämää informaatiota tarkkaillaan kiinnostuneina, myös mustien aukkojen sisäisen rakenteen arvioimiseksi. Vai olisiko niin että kosmologian informaatiokäsitteessäkin olisi selventämisen tarvetta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Singulariteeteilla ei ole mitään tekemistä mustien aukkojen törmäysten synnyttämien gravitaatioaaltojen kanssa. Singulariteetit ovat (oletettavasti) piilossa tapahtumahorisonttien takana, eivätkä vaikuta ulkopuolisen maailman tapahtumiin mitenkään.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Taide ja taivas

25.5.2021 klo 15.47, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 8.6. joskus välillä kello 16-19 Taideyliopiston tilaisuudessa Taide ja tähtitaivas. Tilaisuus järjestetään Hietsun Paviljongissa Helsingissä. Sinne on ilmainen pääsy. Tapahtuman kuvaus on seuraava:

Taide ja tähtitaivas on taidetta, tähtitiedettä ja kulttuurihistoriaa yhdistävä keskustelutilaisuus, jossa puhutaan tähtikartoista, avaruuselokuvista ja maailmankaikkeuden epäinhimillisestä kauneudesta. Keskustelun alustajiin kuuluvat kulttuurihistorioitsija Maarit Leskelä-Kärki, kosmologi Syksy Räsänen, tähtitieteen dosentti Hannu Karttunen ja kuvataiteilija Elina Saloranta.

Puheeni otsikko on Kaikkeuden epäinhimillinen kauneus ja sen kuvaus on tämä:

Kun Aurinko vajaan kahdeksan miljardin vuoden kuluttua sammuu, ihmiskunta on kuollut sukupuuttoon kauan sitten. Silti Auringon loppu ja Maapallon tuho herättää surua. Ihmiset ovat tottuneet katsomaan maailmaa inhimillisen linssin kautta, joten epäinhimillisen maailmankaikkeuden tapahtumia verrataan ihmiselämään. Toisaalta ihmisille on kehittynyt tilan ja muotojen hahmottamiseen abstraktin ajattelun välineitä, joita on mahdollista soveltaa maailmankaikkeuden täsmälliseen ymmärtämiseen ja epäinhimillisen kauneuden kokemiseen.

Päivitys (28/05/21): Tilaisuus on koronarajoitusten takia siirretty tulevaisuuteen, keskiviikkoon 24.11. kello 16-19.

4 kommenttia “Taide ja taivas”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Kaikkeuden epäinhimillinen kauneus tarkoittaa varmaan kaikkeuden jumalallista (tai saatanallista) kauneutta? Ihmettelen sitä, miten kauneus voi olla epäinhimillistä, koska kauneus on katsojan silmässä. Ettei vaan kaikki olisi kuitenkin suhteellsita. Surukin on sitä kuten nähtiin, kun jumalan valitseman kansan ilmavoimat moukaroivat surutta Gazan asuinkortteleiita ja Netanyahu jyrisi nyrkit pystyssä kuin suurikin profeetta!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Gazaa pommitti Israelin ilmavoimat, ei ole juutalaisten ilmavoimia.

      Tästä osviittaa epäinhimilliseen kauneuteen: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/ihmisten-ja-enkelien-kielilla/

  2. ”Kun Aurinko vajaan kahdeksan miljardin vuoden kuluttua sammuu, ihmiskunta on kuollut sukupuuttoon kauan sitten. ” Tätä emme tiedä, koska se riippuu mm. siitä mitä ihmiset saavat päähänsä tehdä. Ihmislajin tulevaisuuden pituutta ei voi tietää ennalta, mm. koska ihminen pystyisi halutessaan muokkaamaan perimäänsä ja siten astumaan biologisen evoluution lakien ulkopuolelle.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Vaikka näin kävisi, nuo olennot eivät olisi enää ihmisiä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *