Kosmokseen kirjoitettua

Valoa jääkuutiossa

6.10.2026 klo 23.02, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti tänään myöntävänsä fysiikan Nobelin palkinnon Francis Halzenille ”ratkaisevasta panoksesta IceCube-neutriino-observatoriossa ja astrofysikaalisten korkeaenergisten neutriinojen löytämisessä”. Hän on tänä vuonna ainoa fysiikan nobelisti, yleensä palkinto on jaettu kahdelle tai kolmelle tutkijalle.

Kun Higgsin hiukkasesta myönnettiin vuonna 2013 Nobelin palkinto kahdelle teoreetikolle, François Englertille ja Peter Higgsille, monien mielestä myös hiukkasen löytäneiden tutkimusryhmien johtajat olisi pitänyt palkita. Nyt palkinto menee teoreetikolle, josta tuli kokeen johtaja. (Yhä useampi teoreetikko onkin siirtynyt kokeiden pariin.)

IceCube on etelänavalle rakennettu noin kuutiokilometrin kokoinen laite, joka havaitsi vuonna 2013 ensimmäiset korkeaenergiset Aurinkokunnan ulkopuoliset neutriinot. Auringosta tulevia neutriinoja oli aiemmin mitattu kokeiden Kamiokande ja Super-Kamiokande vesitankeissa (mistä on myönnetty kaksi Nobelin palkintoa), mutta IceCubessa on viety veden käyttäminen pidemmälle.

Etelänavalle on porattu 86 aukkoa, joihin on laskettu noin kahden ja puolen kilometrin pituiset kaapelit, joissa on havaintolaitteita. Syvällä jään sisällä on vakaata, pimeää ja rauhallista. Niinpä jäähän törmäävien neutriinoiden aiheuttamat valonvälähdykset on helppo mitata.

Neutriinot ovat hiukkasfysiikan Standardimallin vähiten tunnettu osa (ja myös ensimmäiset hiukkaset, joiden kautta on päästy Standardimallin tuolle puolen). Neutriinoilla on kaksi ominaisuutta, joiden takia niitä on vaikea havaita.

Ensinnäkin neutriinoiden massa on pieni, joten niiden tuottaminen vaatii vain vähän energiaa ja niiden vaikutus reaktioihin on siksi usein vähäinen.

Toisekseen neutriinot vuorovaikuttavat heikosti matalilla energioilla. Kuten palkinnon taustamateriaalissa todetaan, sormenkynnen läpi menee joka sekunti 65 miljardia Auringosta tulevaa neutriinoa (sekä jokunen miljardi maailmankaikkeuden alkuhetkiltä peräisin olevaa neutriinoa). Tällä on valoisa kääntöpuoli: koska neutriinot vuorovaikuttavat niin heikosti, ne kulkevat lähes esteettä. Tässä suhteessa ne ovat samanlaisia kuin gravitaatioaallot.

Kosmisen neutriinotaustan matalaenergiset neutriinot ovat matkanneet aineen läpi siitä pitäen, kun maailmankaikkeus oli sekunnin ikäinen, 14 miljardia vuotta. IceCube tähyää myöhempinä aikoina syntyneitä korkeaenergisiä neutriinoja.

Mitä korkeampi energia neutriinoilla on, sitä voimakkaammin ne vuorovaikuttavat, mutta toisaalta sitä vähemmän niitä syntyy. Kesti kaksi vuotta ennen kuin IceCube vuonna 2013 havaitsi kaksi korkeaenergistä neutriinoa. Niiden energia oli noin sata kertaa isompi kuin mitä CERN:in LHC-kiihdyttimessä pystytään tuottamaan. Nykyään IceCube näkee näitä neutriinoja noin sata vuodessa.

Neutriinoita tutkitaan paljon –Standardimallit neutriinot olivat ensimmäinen ehdokas pimeän aineen hiukkaseksi ja Standardimallin tuonpuoleiset neutriinot ovat vieläkin yksi kiinnostavimpia ehdokkaita– mutta IceCubessa ei oikeastaan olla kiinnostuneita neutriinoista, vaan siitä mitä niiden avulla voi saada selville tähtitieteen kohteista.

Astrohiukkasfysiikka tarkoittaa hiukkasfysiikan ja astrofysiikan yhteistä aluetta. Usein kyse on siitä, että hiukkasfyysikot käyttävät tähtitieteellisiä havaintoja hiukkasfysiikan luotaamiseen, esimerkiksi pimeän aineen etsimiseen. IceCubessa roolit ovat toisin päin, hiukkasfysiikka on väline ja astrofysiikka tavoite.

Yksi avoin ongelma on se, mistä kaikkein korkeaenergisimmät hiukkaset tulevat: mikä tapahtuma pystyy kiihdyttämään hiukkasia korkeampiin energioihin kuin ihmisten vahvimmat laitteet? Maapallolla on havaittu paljon korkeaenergisiä protoneita ja muita sähköisesti varattuja hiukkasia. Sähkövarauksen takia niitä on helppo havaita, mutta samasta syystä ne kiertävät Linnunradan magneettikentissä minne sattuu. Niinpä on mahdotonta sanoa, mistä päin ne ovat peräisin. Valokin voi sirota ja muuten vuorovaikuttaa. Neutriinoilla ei ole tällaisia ongelmia, joten niistä näkee suoraan mistä päin ne ovat peräisin.

IceCuben havaintojen mukaan korkeaenergisiä neutriinoja tulee suunnilleen yhtä paljon kuin korkeaenergisiä protoneita ja muita varattuja hiukkasia, mikä viittaa siihen, että niillä on yhteinen alkuperä. IceCube on tuottanut todistusaineistoa sen puolesta, että osa niistä syntyy jättimäisten pyörivien mustien aukkojen luona.

Monen sanansaattajan astrofysiikasta on tullut muotitermi. Se tarkoittaa saman kohteen näkemistä useamman kuin yhden kanavan kautta: esimerkiksi protoneilla ja neutriinoilla tai gravitaatioaalloilla ja valolla. Kuten gravitaatioaalloissa, myös neutriinoissa on päästy vasta alkuun, emmekä vielä tiedä mitä kaikkea ne valaisevat.

Kotoisa sarja

2.10.2026 klo 15.56, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Osallistuin viime viikolla Tallinnassa kolmanteen pohjoismaiseen kosmologiatapaamiseen. Sarjan aiemmat konferenssit olivat Tukholmassa ja Helsingissä, ja oli mukava nyt saada Viro mukaan pohjoismaihin.

Neuvostoliiton aikana Baltian fysiikan tutkimus oli keskitetty Viroon, ja vahva perinne näkyy yhä. Avauspuheenvuoron pitänyt Martti Raidal sanoi osittain (mutta ehkä vain osittain) vitsinä, että pimeä aine löydettiin ensin Virossa, viitaten tunnetun astrofyysikon Jaan Einaston työhön. Einaston ryhmä Virossa oli 1970-luvulla maailmankaikkeuden ison mittakaavan rakenteen tutkimuksen kärjessä.

Einasto oli yksi ensimmäisiä, joka löysi ja ymmärsi galakseista muodostuvien ryppäiden, rihmojen, seinämien ja onkaloiden muodostaman kosmisen verkon. Nämä havainnot olivat tärkeitä pimeän aineen olemassaolon ja ominaisuuksien tutkimisessa. Ne osoittivat, että pimeä aine ei koostu neutriinoista –jotka olivat 1970-luvun alussa luontevin pimeän aineen ehdokas– eikä muistakaan nopeasti liikkuvista hiukkasista, vaan liikkuu hitaasti. Tästä tarinasta kiinnostuneet voivat kääntyä Einaston kirjan Dark Matter and Cosmic Web Story puoleen.

Einasto on 97-vuotias, mutta tekee vielä tutkimusta – hänen viimeisin artikkelinsa ilmestyi vajaa kaksi kuukautta sitten. Hän ei ollut paikalla, mutta hänen tyttärensä ja yhteistyökumppaninsa Maret Einasto sekä Sumedh Ghamande puhuivat maailmankaikkeuden isoimmista rakenteista.

Kun verrataan kosmologisen teorian ennusteita havaintoihin, usein tutkitaan kaikkien tapausten tilastollista jakaumaa: esimerkiksi sitä, miten kaukana galaksit ovat toisistaan tai miten gravitaatiolinssit taittavat niiden muotoja.

Joskus kannattaa kuitenkin keskittyä rakenteisiin, jotka ovat poikkeavia esimerkiksi siksi, että ne ovat niin isoja. Ne saattavat hukkua kaikkea kerralla katsoessa juuri siksi, että ovat harvinaisia. Einasto esitti, että suurimmat havaitut galaksiryppäiden ryhmät saattavat olla isompia kuin mitä nykyinen kosmologinen malli ennustaa.

Tällaisia väitteitä esitetään aika ajoin: ensimmäinen blogimerkintäni kosmologiasta, Tiede-lehden sivuilla vuonna 2007, käsitteli yhtä tällaista perätöntä väitettä. Till Sawala puhuikin Maret Einaston jälkeen muutamasta tapauksesta, joissa on osoittautunut, että isoissa rakenteissa ei ole mitään odottamatonta. Tämä ei toki tarkoita, etteikö poikkeuksellisia rakenteita kannattaisi yhä syynätä.

Teoreettisten mallien ja havaintojen vertaaminen on yhä vaativampaa, koska havaintodataa on niin paljon ja se on niin tarkkaa. Siispä teoriankin ennusteet pitää laskea hyvin tarkasti. Usein tämä on mahdollista vain tietokonesimulaatioilla. Ison mittakaavan rakenteen simulaatioiden ajaminen on kuitenkin laskennallisesti raskasta. Jos mallissa on kuusi parametria ja jokaisesta halutaan tutkia kymmenen eri arvoa,n iin pitäisi tehdä miljoona simulaatiota – ja usein parametreja on enemmän ja niitä halutaan luodata tiheämpään.

Kosmologiassa on vuosia käytetty koneoppimista, ja datamäärän kasvaessa on kehitetty yhä hienostuneempia menetelmiä. Thomas Tram puhui uusimmista askelista. Ideana on se, että algoritmille annetaan valmiita simulaatioita ja parametrien arvoja, jotta se osaa niiden perusteella kertoa miltä simulaatiot näyttäisivät muilla arvoilla. Algoritmit ovat nopeuttaneet havaintoihin sopivien mallien arvioinnin tunnista muutamaan millisekuntiin. Laskuja, joihin tarvittiin ennen supertietokone voi nykyään tehdä omalla kannettavalla.

Eräs kollegani valitti, että nuoria tuntuu kiinnostavan nykyään eniten tekniset asiat kuten miten dataa analysoidaan, ei teoreettiset ideat. En tiedä onko hänen havaintonsa oikea, mutta on todettava, että havainnot ja niiden analyysi on se alue, missä kosmologiassa tapahtuu nyt eniten edistystä.

Minusta yksi kiinnostavimpia puheita oli Edvard Mörtsellin esitys siitä, miten supernovista eli kirkkaina räjähtävistä tähdistä eri reittejä tulevan valon viiveiden avulla on mitattu maailmankaikkeuden laajenemisnopeus. Norjalainen Sjur Refsdal ehdotti tätä jo vuonna 1964. Sopivia supernovia on kuitenkin vain noin yksi tuhannesta, ja vasta viime vuosina on havaittu tuhansia supernovia ja päästy mittaustouhuun. Teknologian kehityksen myötä supernovia havaitaan yhä enemmän, joten muutaman vuoden kuluessa maailmankaikkeuden laajenemisnopeus lienee määritetty niin tarkasti, että voidaan sanoa kumman arvo on oikeassa, kosmisen mikroaaltotaustan tutkijoiden vai supernovatutkijoiden. Tämä on kosmologian suurin ristiriita tällä hetkellä, ja lisävalo on tarpeen.

Tapaamisessa puhuttiin kyllä myös paljon teoriasta. Nykyään Virossa onkin korkealla tasolla havaintoihin liittyvän astrofysiikan ja kosmologian lisäksi myös hiukkasfysiikan puolelta tuleva kosmologian tutkimus. Entisen jatko-opiskelijani Eemeli Tombergin ensimmäinen väittelyn jälkeinen tutkijanpesti oli Tallinnassa, ja olen itse käynyt Virossa useita kertoja konferensseissa, puhumassa seminaarissa tai vastaväittäjänä.

Hyvin käsitellyiksi tulivat aksionit, joiden tutkimus vahvasti yhdistää kosmologiaa ja hiukkasfysiikkaa, ja muitakin pimeän aineen hiukkasia. Myös gravitaatioaalloista oli monta puhetta, kuten nykyään kaikissa kosmologian konferensseissa.

Itse puhuin Dipayan Mukherjeen kanssa tekemästäni tutkimuksesta liittyen kosmologisiin keskiarvoihin. Usein tutkimus on monimutkaista tai pureutuu hienosyisiin yksityiskohtiin, mutta tässä tapauksessa teimme sen sijaan jotain yksinkertaista, jota kukaan ei vain ollut tullut ajatelleeksi –tai ainakaan toteuttaneeksi– ennen.

Toisessa päässä puhtaasta (tai likaisesta) havaintoanalyysistä on Tomi Koiviston tutkimusryhmän pyrkimys rakentaa uudenlaiselta pohjalta gravitaatioteoriaa ja kvanttigravitaatiota, mistä Lucy Zheng ja Priidik Gallagher puhuivat.

Aika näyttää, mitkä suunnat ovat hedelmällisiä, mutta ideoiden kirjo ja havaintojen edistys on merkki terveestä tutkimuskentästä. Tapaamisessa oli 66 tutkijaa, eli se oli kosmologian konferenssiksi kotoisan pieni.

Tällaiset tapaamiset ovat hyödyksi paikalliselle tieteenteolle. On tärkeää, että aloittavat tutkijat vuorovaikuttavat toistensa ja kokeneempien tutkijoiden kanssa. On oleellista tietää miten yhteisössä toimitaan, ja sen konstit ja normit välittyvät usein henkilökohtaisesti. Ainakin itselleni jatko-opiskelijana ja nuorempana tutkijana tutkijoiden tapaaminen ja yhteisöön kotoutuminen oli tärkeä osa tutkijaksi kehittymistä ja sellaisena selviämistä.

Näitä kosmologiatapaamisia on pidetty puolentoista vuoden välein. Seuraava saattaa olla Oslossa, Tukholmassa tai Vilnassa, riippuen siitä kuka saa ensimmäisenä haalittua kasaan rahoituksen.

---

Kehityksen suunta

16.9.2026 klo 14.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Viime viikon isoin uutinen matematiikassa (ehkä koko tieteessä) oli se, että yritys OpenAI ilmoitti heidän tekoälynsä ratkaisseen Navierin-Stokesin yhtälöihin liittyvä Millennium-ongelman. Vuonna 2000 asetettujen Millennium-ongelmien tarkoituksena on auttaa määrittämään matematiikan kehityksen suuntaa. Ongelmia on seitsemän, ja tätä ennen vain yksi oli ratkaistu.

Ensimmäisen ongelman, Poincarén konjektuurin, ratkaisun vei maaliin matemaatikko Grigori Perelman noin 20 vuotta sitten. Saavutus oli esimerkki vanhan ajan työskentelystä, missä tieteilijät hiljalleen hahmottavat osia kokonaisuudesta, kunnes ymmärryksen kasvaessa joku asiaan syvästi perehtynyt tutkija saa viimeisen palan kohdalleen. Perelman kieltäytyi Millennium-ongelmiin liittyvästä miljoonan dollarin palkinnosta, koska katsoi että muiden työllä oli niin iso osa todistuksessa. Hän kieltäytyi myös Fields-mitalista, joka on matematiikan arvostetuin tunnustus, selittäen että häntä eivät kiinnosta kunnia ja palkinnot. OpenAI:n mahdollinen läpimurto on merkki kehityksestä kohti hyvin erilaista tieteellistä kulttuuria.

Joonas Nättilä selitti eilen Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarissa (tässä video ja esitystiedosto), mistä Navier-Stokes-ongelmassa ja sen ratkaisussa on kyse. Navierin-Stokesin yhtälöt kuvaavat sellaisen jatkuvan nesteen tai kaasun virtausta, joka vastustaa muodonmuutosta, koska sen osat tarttuvat toisiinsa, ja joka on kokoonpuristumaton. Näitä yhtälöitä käytetään paljon fysiikassa, ja niihin liittyvä ongelma on yksi kahdesta tiukasti fysiikkaan liittyvästä Millennium-ongelmasta.

Navierin-Stokes-ongelma on yksinkertainen. Jos aineen alkutila on sileä (eli sen virtausnopeus muuttuu jatkuvasti paikasta toiseen sen sijaan että hyppelehtisi) ja energia on äärellinen, niin jatkuuko kehitys aina siististi, vai voiko virtausnopeus kasvaa äärellisessä ajassa äärettömäksi?

Sen todistaminen, että kaikki ratkaisut ovat aina sileitä olisi vaikeaa. Sen sijaan sen todistamiseksi, että asia ei ole näin tarvitsee löytää vain yksi vastaesimerkki. Tämän OpenAI sanoo tehneensä.

Navierin-Stokesin yhtälöiden kuvaamaan aineeseen syntyy helposti pyörteitä. Nättilä mainitsi esimerkkinä pyörremyrskyn, mutta vesipyörteitä voi havaita omassa lavuaarissakin. Oli aiemmin osoitettu, että jos aine ei vastusta muodonmuutoksia, niin laittamalla alkutilanteeseen sisäkkäisiä yhä pienempiä epätasaisuuksia voi luoda pyörteitä, jotka kutistuvat ja samalla kiihtyvät niin että äärellisen ajan kuluessa nopeus kasvaa äärettömäksi energian keskittyessä pieneen tilaan.

Navierin-Stokesin yhtälöiden kuvaama aine kuitenkin vastustaa muodonmuutoksia, mikä hillitsee pienten rakenteiden syntyä. Kyse on siitä, mikä on kehityksen suunta: voittaako pyörteiden kutistuminen vai rakenteiden pyyhkiytyminen?

Ongelmasta on neljä versiota, ja OpenAI ratkaisi niistä kaksi helpointa. Ratkaisuissa on ulkoinen voima, joka työntää ainetta ja jonka voi valita miten tahtoo. Fysiikan kannalta kiinnostavampaa olisi se, miten aine käyttäytyy vain omien vuorovaikutustensa ajamana – tai jonkin todellisen voiman alaisena, ei sellaisen joka on valittu tuottamaan haluttu tulos.

Todistus tarkoittaa sitä, että Navierin-Stokesin yhtölät ennustavat pätevyysalueensa lopun. Kun aineen virtausnopeus lähestyy ääretöntä, Navierin-Stokesin yhtälöt eivät ole enää kuvaa fysikaalista tilannetta oikein. Tiedämme, että aine ei ole jatkuvaa, vaan koostuu atomeista, ja tämä pitää ottaa huomioon.

Yleisessä suhteellisuusteoriassa törmätään usein äärettömyyteen, esimerkiksi maailmankaikkeuden alussa ja mustan aukon keskustassa. Roger Penrose ja Stephen Hawking osoittivat 1960-luvulla, että tällaisia äärettömyyksiä on lähes kaikissa yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisuissa. Yleisen suhteellisuusteorian kohdalla tulos on merkittävä, koska emme tiedä miten ongelma paikataan: toisin kuin Navierin-Stokesin tapauksessa, emme tiedä mitä on suhteellisuusteorian tuolla puolen.

Mutta olipa Navier-Stokes-ongelman ratkaisun sisällön merkitys fysiikalle ja matematiikalle iso tai pieni, sen löytämistavan vaikutus on valtava.

OpenAI:n ilmoituksen mukaan yritys kuuli 1.9. huhuja siitä, että kaksi uutta Millennium-ongelmaa olisi ratkaistu. Silloin se päätti panna uuden tekoälynsä 10 000 prosessia jahtaamaan kaikkia kuutta avointa Millennium-ongelmaa, ja pian keskittyi vain Navierin-Stokesin ongelmaan.

Yrityksen mukaan ongelman ratkaiseminen kesti sen tekoälyltä 88 tuntia. Ratkaisun muotoileminen matemaatikkojen täsmällisellä Lean-kielellä, jolla voi aukottomasti varmistaa matemaattisia todistuksia, vei siltä lisäksi 17 tuntia. OpenAI julkisti väitetyn tuloksensa viime viikon tiistaina 8.9..

Tekoäly-yrityksessä Anthropic työskentelevä matemaatikko Levent Alpöge ja vapaa matemaatikko Tristan Buckmaster olivat jo aiemmin työskennelleet ongelman parissa. He olivat käyttäneet muun muassa OpenAI:n ChatGPT-tekoälyä. Buckmaster epäilee, että OpenAI olisi saanut ChatGPT:n kautta tietää heidän työstään ja käyttänyt sitä hyväkseen.

OpenAI sanoi ensin, että se ei voi sulkea pois sitä vaihtoehtoa, että näin on tapahtunut. Pian sen jälkeen yritys sanoi, että Buckmasterin OpenAI:n Codex-sovellukseen laittamaa tietoa ei ole käytetty, mikä saattaa jättää avoimeksi sen olisiko tieto voinut vuotaa OpenAI:n muista sovelluksista.

OpenAI on jo aiemmin haastettu oikeudessa siitä, että yritys olisi valehdellut, että ei ole etsinyt keräämästään datasta yksityiskohtia eikä edes pystyisi siihen, mutta on tehnyt niin. Useampi henkilö (muun muassa hänen opiskelutoverinsa Aaron Swartz) on kuvannut OpenAI:n johtajaa Sam Altmania sosiopaatiksi ja patologiseksi valehtelijaksi, mikä ei ole sekään omiaan herättämään luottamusta. (Tyypillisiä piirteitä suuryrityksissä, vaikka ihmisissä harvinaisia.)

On vaikea arvioida, paljonko ratkaisun löytäminen maksoi OpenAI:lle. Se käytti ison kielimallinsa uutta versiota, joka ei ole julkisesti saatavilla eikä edes täysin valmis, ja jonka yksityiskohtia ei tunneta. Hinnaksi on arvioitu 10-30 miljoonaa dollaria. Summa havainnollistaa kahden maailman törmäystä. Teoreettisessa akateemisessa tutkimuksessa tämä on valtava määrä rahaa: millään matematiikan tutkimusryhmällä ei ole varaa polttaa miljoonia dollareita yhdessä viikonlopussa.

Kokeellisessa fysiikassa on totuttu suuriin summiin. Alan kärkeä edustavien isojen laitteiden kuten CERNin LHC-kiihdyttimen ja NASAn JWST–teleskoopin hintalappu on noin kymmenen miljardia euroa. Mutta niiden rakentaminen kestää kymmenisen vuotta ja laitteita käytetään vuosikymmeniä.

OpenAI:n nimellinen arvo on 852 miljardia dollaria. Sen vuosittainen budjetti on kymmeniä miljardeja, mistä 30 miljoonaa dollaria on alle 0.1%: kohinaan hukkuva pikkukulu, joka tuskin ansaitsee tulla edes mainituksi tilinpäätöksessä.

Huomiota on kiinnitetty myös siihen, että tieteellisiä tuloksia julkistetaan Twitterissä ja lehdistötiedotteissa tieteellisten konferenssien ja julkaisujen sijaan. Matemaatikko David Madore kommentoi koruttomasti sitä tuhoa, mitä tällainen toiminta hänen mielestään tieteelle aiheuttaa.

OpenAI:n toiminnan arvioiminen tieteen nykyisten standardien mukaan tuntuu kuitenkin harha-askeleelta. Ensinnäkin siksi että isojen kielimallien takia tieteen tekemisen tavat ja normit muuttuvat nopeasti. Ja toisekseen siksi että OpenAI ei ole osa tiedeyhteisöä, eikä sen motiiveilla ole oikeastaan mitään tekemistä sen kanssa, mitä tutkijat haluavat.

Emme tiedä mitä tämän ongelman kanssa työskennelleet OpenAIn työntekijät ajattelevat tutkimuksen normeista. Sillä ei myöskään ole merkitystä, koska tulos ei ole heidän nimissään, vaan yritys on asettanut sen tekijäksi ison kielimallin. Isolla kielimallilla ei kuitenkaan ole tavoitteita, se on työkalu.

Tiedotteensa mukaan OpenAI julkisti Navier-Stokes-tuloksen osoittaakseen, miten paljon sen isot kielimallit ovat edistyneet. (Yritys ei aio pyytää Clay-instituutilta miljoonaa dollaria, mikä lienee ainoa yhtymäkohta Perelmanin tapaukseen.) Samaan tekohengenvetoon yritys toteaa, että sen tavoitteena on pitää huolta siitä, että tekoäly toimii koko ihmiskunnan hyväksi. Todellisuudessa OpenAI myy palveluita muun muassa Yhdysvaltojen armeijalle ja Israelin armeijalle, joka käyttää niitä kansanmurhaan.

OpenAI:n rahankäyttö matemaattiseen tutkimukseen on ymmärrettävä sijoituksena ei tieteen edistämiseen vaan osakekurssien kasvattamiseen. Tekoäly-yritysten yksi tärkeimpiä tavoitteita on vakuuttaa sijoittajat siitä, että ne pystyvät lunastamaan mullistavat lupauksensa, jotta niiden uskotaan kasvavan nykyisistä tappioista kohti suuria voittoja. Matemaattista kykyä on perinteisesti pidetty vahvana älyn mittarina, matemaattiset todistukset on mahdollista tarkistaa aukottomasti, ja tunnetut ongelmat saavat paljon huomiota. Siksi matemaattisen ongelmien ratkaiseminen on hyvää julkisuutta: se mitä matematiikalle tapahtuu on OpenAI:lle ja muille yrityksille toissijaista.

Heinäkuussa matemaatikko Jacob Tsimerman ilmoitti lopettavansa matematiikan samana päivänä, kun hänelle myönnettiin Fieldsin mitali. Tsimerman kertoi, että tekoälyn kehityksen takia hän ei näe matemaatikoilla tulevaisuutta, joten hän päätti siirtyä kaikkein tärkeimpänä pitämänsä asian pariin: hän meni töihin OpenAI:lle tekoälyn turvallisuuden pariin. Tekoälyyn liittyy oikeita turvallisuusongelmia. Mutta esimerkiksi niiden ihmisten turvallisuus, joiden elämää armeijat OpenAI:n tuotteiden avulla tuhoavat, ei kuulu tämän turvallisuuskäsityksen piiriin.

Suuren osan tekoälyihin liittyvän turvallisuuspuheen tarkoituksena onkin lähinnä vakuuttaa sijoittajat siitä, että yritysten tuotteet pystyvät ihmeisiin. Tähän kuuluvat väitteet siitä, että tekoälyt saattaisivat lähitulevaisuudessa tuhota kaikki ihmiset, mistä Tsimermankin on kirjoittanut. Koska sekä matematiikkaa että sukupuuttopelkoa käytetään osakkeiden hintojen nostamiseen, Tsimermanin siirtymä tuntuu oudon sopivalta.

Muutkin Fields-mitalistit kuten Timothy Gowers ja Terence Tao ovat kirjoittaneet tekoälyn matematiikkaan tuomasta mullistuksesta. Jotkut matemaatikot ovat muotoilleet Leidenin julistuksen tekoälystä ja matematiikasta. Tuo kesäkuussa tehty julistus tuntuu jo nyt vanhentuneelta. Sen mukaan tekoäly ei voi korvata ihmisiä ja kunnia ja vastuu tuloksista kuuluu vain ihmisille. Gowers arvosteli tätä heinäkuussa, kirjoittaen mahdollisesta tulevaisuudesta, jossa tekoäly yksin ratkaisee ongelmia.

Sikäli kun OpenAI:n kertomus pitää paikkansa, viime viikolla syyskuussa yksi matematiikan merkittävin ongelma ratkaistiin ilman että kukaan ihminen voi ottaa kunniaa siitä (tai ainakaan viimeisestä askeleesta). Clay-instituutin sääntöjen mukaan se perustaa päätöksensä vertaisarvioituihin julkaisuihin, mutta kukaan ihminen tuskin voisi ottaa todistusta nimiinsä. (Perelman muuten piti tarpeettomana lähettää tulostaan julkaistavaksi, koska tiedeyhteisö kokonaisuutena arvioi sen oikeellisuuden, ja Clay-instituutti teki poikkeuksen – saa nähdä tuleeko tästä toinen yhtymäkohta näiden kahden tapauksen välillä.)

Navier-Stokes-ongelman muotoillut Charles F. Fefferman totesi aikoinaan, että sen ratkaisuun luultavasti tarvitaan syvällisiä uusia ideoita. En osaa arvioida, missä määrin OpenAI:n ratkaisussa on tällaisia ideoita, mutta kommentti korostaa sitä, että matematiikan tutkimisen tavoitteena (tai ainakaan ainoana tavoitteena) ei ole todistusten tekeminen, vaan matematiikan ymmärtäminen.

Matemaatikko David Hilbertin nimiin on laitettu (mahdollisesti virheellisesti) ajatus matematiikan automatisoimisesta: laitteesta, joka oletuksista lähtien voisi kertoa mitkä väitteet ovat totta ja mitkä eivät. Kuten Madore toteaa, vaikka tämä ei sellaisenaan ole mahdollista, isot kielimallit saattavat päästä lähelle. Hän kysyy olisiko Hilbert ymmärtänyt, että hänen unelmansa toteutuminen tarkoittaisi matematiikan loppua.

Jos todistuksia tulee nopeammin kuin mitä ihmiset pystyvät niitä ymmärtämään, tämä muuttaa ihmisten suhteen matematiikkaan täysin, eikä ole selvää mitä tämä tarkoittaa matematiikan tekemisen kannalta. Oma lukunsa on se mahdollisuus, että tekoälyt vakoilevat tutkijoita ja niiden omistajat pistävät miljoonia peliin saadakseen työn hedelmät ensin näytille. Perinteisesti matematiikassa on julkaistu todistuksia, ja nämä julkaisut ovat yksi tärkeimpiä tutkijoiden mittareita, joiden perusteella jaetaan kunniaa, työpaikkoja ja rahoitusta.

Kuten olen aiemmin kirjoittanut, isoista kielimalleista on matematiikassa enemmän hyötyä kuin fysiikassa, koska matematiikassa tulokset voidaan täsmällisesti todistaa ja tarkistaa. Vastaavasti niistä on myös fysiikalle vähemmän uhkaa, koska ratkaisevia ovat havainnot ja ideat oikeista teorioista, eivät todistukset. Niistä on silti myös fysiikalle paljon hyötyä ja haittaa. Jokseenkin kaikkien isojen datamäärien analyysissa kosmologiassa käytetään koneoppimista, ja isot kielimallit pystyvät ihmisen ohjauksessa myös tekemään arvokasta tutkimusta.

On mahdotonta sanoa, kauanko tekoälyn kehitys jatkaa kiihtymistä, koska tulee raja vastaan (rahassa, laskentatehossa tai algoritmeissa), mutta on varmaa, että se muuttaa tiedettä merkittävästi. Kehitykseen suuntaan vaikuttaminen, mukautuminen ja sen hyödyntäminen vaatii tiedeyhteisön normien, arvojen ja käytäntöjen pohtimista ja muuttamista, ei vain kilpailua siitä kenellä on isoin kielimalli.

Mittatikun nokassa

10.9.2026 klo 15.44, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kesä-heinäkuussa lehdistä saattoi lukea mullistavasta löydöstä: maailmankaikkeus ei olekaan samanlainen kaikkialla. Taustalla oli Nature-lehdessä julkaistu tutkimus, jonka oli tehnyt vanha tuttuni Francesco Sylos Labini yhdessä Marco Galoppon kanssa.

Sylos Labini & Galoppo väittivät, että DESI–teleskoopin havaintojen mukaan galaksien jakauma on erilainen eri puolilla maailmankaikkeutta. Jos tämä olisi totta, kyseessä olisi vuosikymmenen läpimurto.

Kosmologit puhuvat asiasta nimeltä kosmologinen periaate. Sen mukaan maailmankaikkeus on tilastollisesti samanlainen joka suunnassa ja joka paikassa. Fyysikot käyttävät usein sanaa periaate silloin kun eivät muuten osaa perustella jotain. Näin oli aikoinaan myös kosmologisen periaatteen kohdalla, jota on muodossa tai toisessa käytetty 1920-luvulta alkaen, ennen kuin edes tiedettiin, että on olemassa muita galakseja kuin oma Linnunratamme. Nykyään tilanne on toinen: 1980-luvulta eteenpäin se on ollut teorian ennustus, jonka havainnot ovat varmentaneet.

Kosminen inflaatio ennustaa, että maailmankaikkeus oli nuorena hyvin samanlainen joka paikassa. Poikkeamat aineen tiheydessä, lämpötilassa, laajenemisnopeudessa ja niin edelleen olivat vain sadastuhannesosan kokoisia. Lisäksi inflaatio ennustaa, että poikkeamat ovat tilastollisesti samanlaisia kaikkialla, joten kun ne kasvavat ja muodostavat galakseja, galaksien jakauma on isossa mittakaavassa (nykyään noin 500 miljoonaa valovuotta isommilla etäisyyksillä) samanlainen kaikkialla.

Havainnot ovat olleet enimmäkseen sopusoinnussa tämän ennustuksen kanssa (vaikka onkin ainakin yksi selittämätön poikkeama). Jos näin ei olisi, se muuttaisi käsityksemme sekä nykymaailmankaikkeudesta että siitä mitä varhaisina aikoina on tapahtunut. Tämä olisi hienoa, mutta valitettavasti vallankumous ei alkanut viime kesänä.

Ystäväni Till Sawala on maailmankaikkeuden ison (ja vähän pienemmänkin) mittakaavan rakenteen asiantuntija. Till puhui Sylos Labinin & Galoppon artikkelista viime perjantaina Helsingin yliopiston astrofysiikan seminaarissa.

Till huomasi Nature-artikkelin kaksi päivää sen ilmestymisen jälkeen, ja hänen silmäänsä pisti heti, että siinä väitetty poikkeama oli niin iso, että muiden olisi pitänyt havaita se jo aiemmin. Till aloitti etsiväntyön: hän analysoi havaintoja ja simulaatioita, vertasi niitä Sylos Labinin & Galoppon tuloksiin, sähköpostitteli heille ja muille kollegoille, ja johtolankoja seuraamalla löysi virheen parissa päivässä.

Sylos Labini & Galoppo olivat sekoittaneet kaksi kosmologiassa käytettyä etäisyyden käsitettä. Yksi mittaa kohteiden etäisyyttä avaruudessa, toinen niiden kirkkautta. Joskus raportoidaan yksi etäisyys, joskus taas toinen. Lisäksi heiltä puuttui yksi etäisyyksien määrittelyyn liittyvä vakio. Kosmologi Sesh Nadathur myös huomautti, että he olivat verranneet havaintoja galakseista simulaatioihin pimeästä aineesta, vaikka pitäisi aina verrata samaa asiaa havainnoissa ja simulaatioissa.

Kuudessa päivässä Till sai analyysin valmiiksi ja osoitti miten virheen korjaamisen jälkeen DESI-havainnot sopivat täysin yhteen teorian kanssa. Hän lähetti artikkelinsa joidenkin arvostamaan Nature-lehteen, jossa alkuperäinen tutkimus oli julkaistu. Nature ei kuitenkaan hyväksynyt sitä julkaistavaksi; tutkimus hyväksyttiin alan tutkijoiden arvostamaan astrofysiikan lehteen.

Sylos Labini on ison mittakaavan rakenteen tilastollisten menetelmien asiantuntija, ja hänen ja Galoppon artikkelin tilastollinen osuus on paikkansapitävä (he ovat itse asiassa varovaisia sen suhteen, miten poikkeuksellisesta löydöstä olisi kyse). Heidän virheensä ei johtunut tilastollisten menetelmien väärinkäytöstä (vaikka se on tavallista) eikä kommelluksista monimutkaisen teorian kanssa, vaan yksinkertaisesta väärinkäsityksestä siitä, minkä etäisyysmitan mukaiset luvut DESI-projekti on galakseille raportoinut.

Kosmologit yleensä laittavat artikkelinsa ensin avoimeen arXiv-tietokantaan, odottavat jonkin aikaa kommentteja ja tarjoavat sitä sitten vasta julkaistavaksi. Sylos Labinin & Galoppon artikkeli sen sijaan ilmestyi suoraan Naturessa. Astrofysiikassa toimitaan joskus näin, ja joillakin aloilla vertaisarvioimattoman tutkimuksen julkaisemista jopa vastustetaan periaatteesta. Ajatuksen taustalla lienee kuvitelma siitä, että vain vertaisarvioijat takaavat tutkimuksen laadun.

Todellisuudessa tulosten paikkansapitävyyden arvioi laaja tiedeyhteisö, ei vain yksi tai kaksi anonyymiä vertaisarvioijaa. Esimerkiksi vuoden 2014 virheellinen väite gravitaatioaaltojen havaitsemisesta kumottiin siten, että analyysi ja data oli julkista, joten tutkijat saattoivat paikallistaa ongelman.

Kuten Till puheessaan sanoi, artikkeleiden laittaminen ensin arXiviin voi pelastaa tutkijat noloilta mokilta, koska muut voivat huomauttaa heille virheistä ennen kuin ne leviävät lehtiin ympäri maailmaa. Arvioita voi kysyä jo etukäteen, ja Till kehottikin jakamaan tutkimustuloksia muiden kanssa jo ennen niiden julkistamista – erityisesti sellaisten kollegoiden, jotka ovat eri mieltä asioista, koska he ovat kärkkäämpiä huomaamaan virheitä.

Suurin osa väitetyistä poikkeamista teorian ja havaintojen välillä kaatuu nopeasti, osa kestää pitkään (ks. täällä, täällä ja täällä) ja kenties lopulta muuttuu löydöiksi.

---

Kvanttien yksinäisyys

25.8.2026 klo 17.43, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Tänä kesänä eläydyin kubittiin. Heinä-elokuun vaihteessa Turun Tehdas-teatterissa pidettiin vuosittainen larppifestivaali Immersion. (Tämä kirja tarjoaa hyvän katsauksen siihen, mitä larpit ovat ja mitä niillä tehdään.)

Viime vuonna fysiikan jatko-opiskelija Thomas Steenfeldt Nielsen veti Immersionissa larppinsa Superconductivity (suom. suprajohtavuus), missä pelattiin elektroneja, jotka lopulta vapautuvat suprajohteen tanssiin. Tänä vuonna inhimillinen elämä ja kvanttifysiikkataas kohtasivat hänen uudessa teoksessaan Quantum Friendship Algorithm (suom. kvanttiystävyysalgoritmi).

Larpissa Superconductivity eläydyttiin elektroneihin, joiden ominaisuudet ja kehitys runollisesti peilasivat ihmisten tunteita ja elämän vaiheita. Quantum Friendship Algorithm käänsi asetelman päälaelleen, siinä inhimillistä kokemusta kuvataan kvanttimekaniikan ilmiönä.

Tarinan päähenkilö on fyysikko Nathan, joka työskentelee teknologiayrityksessä ja on rakentanut kellariinsa kvanttitietokoneen. Nathan on yksinäinen ja on kutsunut neljä työkaveria kotiinsa selvittääkseen, kuka heistä voisi olla hänen ystävänsä. Päivällisen aikana Nathan simuloi vieraitaan kellarin kvanttitietokoneella saadakseen selville kuka olisi todennäköisin ystävä.

Osallistujat pelaavat kubiteista, kvanttilaskennan yksiköistä, rakentuvia simulaatioita Nathanista ja päivällisvieraista kvanttitietokoneen sisällä. Peli on nimensä mukaisesti algoritmi: pelaajat ovat laskennan palikoita, jotka toimivat ohjeiden mukaisesti kunnes algoritmi päätyy yhteen henkilöön, joka vastaa kysymykseen siitä tuleeko hänestä Nathanin ystävä.

Pelin Superconductivity tapaan Quantum Friendship Algorithmissa pelialueen tila on rajattu määrittämään pelaajien liikkeet. Siinä missä Superconductivityssä lattia mallinsi atomien hilaa johon elektronit on sidottu, uudessa larpissa se kuvasi kubittien mahdollisia arvoja.

Pelialue oli jaettu keskustaan ja kahteen kehään, joissa kubitit (eli pelaajat) liikkuivat algoritmin mukaan. Kohdalle asetuttuaan pelaajat istuivat pöytään, missä he esittivät simulaatioita vieraista, jotka kävivät läpi vuorotellen päivälliskeskustelua ja elämänsä vaiheita lapsuudesta vanhuuteen. Elämänkaaren ottaminen pelin kantavaksi rakenteeksi oli tuttu elementti Superconductivitystä. Samalla kubitit keräsivät negatiivisia ja positiivisia vaikutuksia, jotka vaikuttivat siihen, miten ystävällisesti tai epäystävällisesti he käyttäytyivät algoritmin seuloessa vieraiden ystäväpotentiaalia. Nämä olivat kvantittuneita, eli saattoivat saada vain tiettyjä arvoja, joita mallinnettiin vihreillä ja punaisilla lasihelmillä.

Kubittien kuvaamat ihmisten simulaatiot olivat superpositiotilassa, sekoituksessa ystävällistä ja epäystävällistä, kunnes algoritmi seuloi todennäköisimmän ystävän. Peli päättyi, kun kvanttitila romahti algoritmin valitseman simulaation vastatessa että hän joko haluaa tai ei halua olla Nathanin ystävä. Avoimeksi jäi, miten Nathanille oikeasti käy.

Pelin maailmassa kvanttitietokoneen kubitit mallintavat ihmisiä, kun taas oikeasti ihmispelaajat mallintavat kubitteja. Pelaajat olivat osia algoritmissa, joka seuraa ennalta määrättyjä askelmerkkejä, mutta johon liittyy inhimillistä sekavuutta. Inhimillisten vuorovaikutusten epävarmuus ja ennustamattomuus on liitetty kvanttimekaaniseen epämääräisyyteen ja epädeterminismiin. Steenfeldt Nielsen korosti, että pelin tarkoituksena ei ole opettaa fysiikkaa, mutta fysiikan tunteminen antoi sille lisävivahteen.

Pelaajan kannalta algoritmissa oli liikaa elementtejä. Toisin kuin kone, ihminen ei muista rajattomasti sääntöjä eikä pysty aina noudattamaan niitä, ja lisäksi hahmojen ja heidän mielentilansa jatkuva vaihtaminen oli raskasta. Superconductivityssä tanssinomainen liike tarjosi kauniin kanavan elektronien ilmentämiseen oman tulkinnan mukaan. Quantum Friendship Algorithmissä vuorovaikutukset olivat sekä avoimempia että tarkemmin rajattuja, eikä toiminta ollut tarpeeksi kehollista korvatakseen psykologisen jatkuvuuden puutteen aiheuttamaa eläytymisen vaikeutta.

Peli onnistui siinä, että se ei yrittänyt kertoa fysiikasta, vaan käytti fysiikkaa välineenä kertoakseen yksinäisyydestä, menetyksestä ja ihmisten kohtaamisen vaikeudesta. Ihmiset kuten kvantit ovat erillisiä, Nathaniin oli helppo samaistua ja hänen yrityksensä löytää ystävyyttä piti tunteet pelissä algoritmien ja kvanttimekaanisen epämääräisyyden keskellä.

Miksi kissa on sekaisin?

17.8.2026 klo 20.06, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmologia

Kvanttimekaniikka on kokeellisesti tarkimmin varmennettu ja teknologisesti hedelmällisin fysiikan teoria (etenkin kun lasketaan mukaan kvanttikenttäteoria, joka yhdistää kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian). Sillä on toisaalta myös ansaittu maine vahvasti arkijärjen vastaisena.

Kvanttimekaniikan keskeinen kummallisuus on se, että maailman tila voi olla epämääräinen, eli se voi olla sekoituksessa kahta havaittavaa mahdollisuutta. Erwin Schrödinger havainnollisti tätä ajatuskokeella laatikossa olevasta kissasta, joka on sekoituksessa elävää ja kuollutta ennen kuin avaamme laatikon.

Schrödingerin mielestä ajatuskoe osoitti, että kvanttimekaniikka on puutteellinen, koska se johtaa tällaiseen järjenvastaiselta vaikuttavaan tulokseen. Nykyään kun kvanttimekaniikka on kokeellisesti tarkkaan varmennettu, asia nähdään päinvastoin: kissa osoittaa, että maailma on outo.

Selitän tässä hieman sitä, miksi kvanttimekaniikassa on tällaisia sekoitustiloja ja missä kohtaa tilanne muuttuu oudoksi.

Kvanttimekaniikassa systeemin käytöstä kuvaa yhtälö, joka on kissan tavoin nimetty Schrödingerin mukaan. Schrödingerin yhtälö on lineaarinen, mikä tarkoittaa sitä, että kahden ratkaisun summa on myös ratkaisu. (Tekninen termi tällaiselle sekoitukselle on superpositio.) Tässä ominaisuudessa ei ole mitään kummallista, se on fysiikassa aika yleinen.

Esimerkiksi sähkömagneettista kenttää kuvaavat Maxwellin yhtälöt ovat lineaarisia. Valo on sähkömagneettisia aaltoja. Lineaarisuuden takia kahden valoaallon yhteisen vaikutuksen saa selville laskemalla ne yhteen. Kahden taskulampun aiheuttama valoaalto on summa yksittäisistä valokeiloista, ja se on sekoitus kahden aallon aallonpituuksia ja -korkeuksia.

Valon kirkkaus ei kuitenkaan ole erillisten valokeilojen kirkkauksien summa, koska kirkkaus ei riipu lineaarisesti aallon korkeudesta. Siinä on interferenssitermi, eli osa joka riippuu kummastakin aallosta ja joka puuttuu, jos mukana on niistä vain yksi.

Toinen esimerkki on heikot vesiaallot. Jos vettä vähän häiritsee kahdella kädellä, niin aalto on kummankin käden synnyttämien aaltojen summa. Muuttamalla käden vispausta voi säätää sekoitusta vapaasti.

Kvanttimekaniikassa lineaarisuudesta seuraa outoja asioita, koska teoriassa on myös sellainen ominaisuus, että vain tietyt havaintoarvot ovat mahdollisia. Esimerkiksi atomin energia on kvantittunut, eli se voi saada vain tiettyjä kokonaisluvuilla luetteloitavia arvoja. Vastaavasti atomi lähettää valoa vain näitä energioita vastaavilla aallonpituuksilla. Koska yhtälöt ovat lineaarisia, atomin (tai valon) kahden tällaisen tilan summa on myös mahdollinen tila, mutta toisaalta sitä ei voi havaita. Vastaavasti summa tiloista, missä kissa on kuollut tai elossa on myös sallittu tila, mutta sellaista ei koskaan havaita.

Miten tällainen sekoitus sitten pitäisi ymmärtää? Klassisen fysiikan tapauksessa ei ole ongelmaa, koska kahden aallon summa on havaittavissa: valon aallonpituus voi olla mitä tahansa, toisin kuin kvanttimekaniikassa.

Kvanttimekaniikan ongelma ratkeaa todennäköisyystulkinnan kautta. Kahden havaittavan tilan summa tulkitaan siten, että kun systeemiä havaitaan, niin se on jommassakummassa tilassa, ja tuloksen todennäköisyys riippuu siitä, kuinka suurella painolla tilat ovat mukana summassa.

Atomin havaitaan siksi aina lähettävän vain sallittuja aallonpituuksia, ja kissan havaitaan aina olevan elossa tai kuollut. Tämä tulkinta vastaa havaintoja hyvin, mutta se on vain osa tarinaa. Nimittäin voidaan kokeellisesti tarkistaa, että tila on todella sekoituksessa ennen kuin se havaitaan.

Yksinkertaisin tapaus on kaksoisrakokoe, mistä olen kirjoittanut täällä. Siinä voidaan mitata kahden havaittavan tilan interferenssi, mikä osoittaa, että ne olivat molemmat mukana sekoituksessa. Kvanttimekaniikan epämääräisyyden yhdistämisessä arkisen mittakaavan havaintoihin eli sen selittämisessä, miksi emme havaitse kissoja elävän ja kuolleen sekatilassa on edetty paljon, mutta asiaa ei vieläkään ymmärretä täysin.

Outouden ytimessä ei ole se, että kvanttimekaniikan matematiikka olisi vaikeaa –päin vastoin, lineaariset yhtälöt ovat erityisen helppoja– vaan se miten vaikeaa on yhdistää tämän suoraviivaisen matematiikan selvät ennusteet arjen havaintoihin monimutkaisista systeemeistä kuten kissoista.

Viimeisimmät Nobelin palkinnot asian tiimoilta on annettu vuonna 2022 kokeista, jotka osoittivat, että tila tosiaan on epämääräinen, ja  viime vuonna 2025 kvanttimekaanisen käytöksen osoittamisesta isoissa systeemeissä.

Varmaan tällä hetkellä eniten huomiota saanut sovellus kvanttimekaniikan epämääräisestä tiloista on kvanttilaskenta, joka pohjaa niihin. Suomen kansallinen kvanttilaskentainstituutti InstituteQ muuten sattumoisin kertoo mitä kvanttilaskennalle kuuluu Tiedekulman tilaisuudessamme syyskuun 11. päivä.

Tiedettä vai hölynpölyä – näennäistieteen lumo

12.8.2026 klo 17.20, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Se, että Yliopisto-lehti on esittänyt pseudotiedettä tieteenä johti minut pohtimaan näennäistiedettä ja tieteen kiistämistä laajemminkin. Kirjoitin aiheesta blogissa täällä, täällä, täällä ja täällä, sekä Tieteessä tapahtuu -lehdessä fyysikko Kimmo Tuomisen kanssa.

Juttelin aiheesta muiden tutkijoiden kanssa, ja innostuimme järjestämään aiheesta tilaisuuden Helsingin yliopiston Tiedekulmassa perjantaina syyskuun 11. päivä kello 17.

Minä puhun tieteen kiistämisestä osana modernismin vastaista kamppailua, fyysikko Ismo Koponen puhuu kvanttimekaniikan väärinkäytöstä hölynpölyhoidoissa, ja tieteenfilosofi Inkeri Koskinen sekä filosofia ja kognitiotutkija Samuli Reijula puhuvat näennäistieteestä kansallisessa historiankirjoituksessa ja persoonallisuustesteissä. Ainakin, voi olla, että puhumme laajemminkin. Kimmo Tuominen toimii puheenjohtajana.

Mukana on myös kansallisen kvantti-instituutin InstituteQ tutkijoita kertomassa missä kvanttimekaniikan ja -teknologian kehitys menee: mitä on odotettavissa lähivuosina, mitä todennäköisesti ei, ja mikä seikat hidastavat edistystä.

Vapaa pääsy, tervetuloa.

Päivitys (24/08/26). Tilaisuus striimataan täällä. Nauhoitus on katsottavissa samasta linkistä ainakin kaksi viikkoa.

Ällös lopeta hulluutta

5.7.2026 klo 22.44, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kahden viime vuoden tapaan puhun taas Ropecon-tapahtumassa aamuyöllä kosmologiasta. Mukana on muidenkin alojen Aku Ankan ystäviä.

Ohjelmanumeron nimi on Never stop the madness! ja se pidetään lauantain 25.7. ja sunnuntain 26.7. välisenä yönä alkaen kello yksi. Kuvaus on seuraava:

Luulitko, että tällainen sekoilu on lopetettu? Älä unta näe! Aasinsiltojen kannattelema Akuankkameemipaneelimme kokoontuu jo kolmatta kertaa unirytmille haitalliseen kellonaikaan. Tänä vuonna asiantuntijamme käsittelevät suuruudenhulluja tai muulla tavoin sekoilulle alttiita unelmia ja erityisesti niiden kohtaamista valvemaailman todellisuuden kanssa. Panelisteinamme tänä vuonna erikoinen eläinlääkäri Katri, örkkitieteiden tohtori Loponen, toimittaja Maria, juoksuhautoihin kaivautunut Tuomas, ilmastofyysikko Merli, kosmologi Syksy ja pelitutkimuksen dosentti Jaakko. Moderaattorina toimii ortospede Lähdeoja.

Ropeconiin saa lippuja täältä.

Kuumat paikat

29.6.2026 klo 16.42, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Neutronitähdet ovat tiheimpiä tunnettuja kappaleita (jos mustia aukkoja ei lasketa kappaleiksi). Niiden massa on noin yksi tai kaksi Auringon massaa ja säde noin kymmenen kilometriä.

Tuohon kymmeneen kilometriin mahtuu paljon: neutronitähdillä on ilmakehä, meri, pintakerros ja ydin. Mitä syvemmälle menee, sitä raskaammista atomiytimistä aine koostuu ja sitä enemmän niissä on neutroneita. Kerrosten rakennetta ei vielä tunneta tarkkaan.

Yksi kiinnostava kysymys on se, mitä tapahtuu neutronitähden ytimessä: rakentuuko sekin atomiytimistä, onko siellä muitakin kvarkeista koostuvia hiukkasia tai peräti vapaita kvarkkeja? Helsingissä Joonas Nättilä on neutronitähtien astrofysiikan mallintamisen asiantuntija ja Aleksi Vuorinen niihin liittyvän hiukkasfysiikan asiantuntija.

Viime vuosina neutronitähdistä on tehty paljon uusia havaintoja sekä gravitaatioaaltojen että sähkömagneettisen säteilyn avulla.

Gravitaatioaaltodetektorit LIGO, Virgo ja KAGRA ovat havainneet neutronitähtien törmäyksiä vuodesta 2017 asti. Viime vuosina pyörivien neutronitähtien lähettämiä radiosignaaleja mittaamalla on saatu todistusaineistoa gravitaatioaalloista, joita kenties lähettävät galaksien keskustojen erittäin raskaiden mustien aukkojen parit.

Kumpikaan havaintokanava ei kuitenkaan kerro neutronitähdistä paljoa. Mitä kiinteämpiä neutronitähdet ovat, sitä isompia ne ovat ja sitä enemmän ne siksi venyvät tullessaan lähelle toisiaan. Mitä enemmän ne venyvät, sitä isompi on niiden välinen kitka, joten sitä nopeammin ne yhtyvät. Niinpä LIGOn, Virgon ja KAGRAn mittaamista gravitaatioaalloista voi mitata tätä venyvyyttä, mutta ei neutronitähdistä paljon muuta. Käytännössä tästä on sitä paitsi vain yksi hyvä mittaus: vuonna 2017 tehty ensimmäinen havainto on jäänyt myös parhaaksi.

Sen sijaan kansainväliseen avaruusasemaan kiinnitetty röntgenteleskooppi NICER ja Maata itsekseen kiertävä XMM-Newton-teleskooppi ovat tehneet säteilyä lähettävistä pyörivistä neutronitähdistä eli pulsareista tarkkoja mittauksia. Mainitsin vuoden 2018 alussa, että NICERin ensimmäisiä tuloksia odotetaan pian, nyt niitä on kertynyt.

Väitöskirjaa tekevä Lucien Mauviard astrofysiikan ja planeettatutkimuksen instituutista Toulousesta Ranskasta piti aiheesta toissaviikolla Helsingin yliopiston astrofysiikan seminaarin. Mauviard tutkii nopeasti pyöriviä neutronitähtiä NICERin ja XMM-Newtonin datan avulla.

Koska tähdet pyörivät ja pyörimismäärä säilyy, tähden pyörimisnopeus kasvaa kun se puristuu neutronitähdeksi. Neutronitähden pyörimisnopeus kasvaa myös, jos se kerää ainetta seuralaisesta. Nopeimpien neutronitähtien päivä kestää vain sekunnin tuhannesosan, eli ne pyörivät akselinsa ympäri noin tuhat kertaa sekunnissa.

Neutronitähdet voivat lähettää radioaaltoja, röntgensäteitä ja gammasäteitä. Nämä ovat nimiä sähkömagneettisen säteilyn eri aallonpituuksille. Radioaallot ovat matalaenergisiä, röntgensäteet ja gammasäteet korkeaenergisiä.

Jos neutronitähdellä on seuralainen, neutronitähden lähettämien radioaaltojen taajuus muuttuu tähtien kiertäessä toisiaan. Tästä voidaan määrittää neutronitähden massa erittäin tarkasti. Toinen tärkeä tieto neutronitähdistä on niiden säde. Aineen käytös neutronitähtien eri kerroksissa määrittää sen, kuinka raskaita ja isoja ne voivat olla. Mitä kovempaa aine on, sitä isompi tähti voi olla.

Säteen mittaaminen on vaikeampaa. Jotta pystyttäisiin erottelemaan eri mallit koostumukselle toisistaan, pitäisi säde selvittää muutaman sadan metrin tarkkuudella.

Tähän ongelmaan Mauviard on pureutunut. Neutronitähtien pinnan lämpötila on noin satatuhatta astetta, paitsi kuumissa täplissä, joiden lämpötila on noin miljoona astetta. Hiukkasfysiikan mittakaavassa pinta on siis aika kylmä. Hiukkaskiihdytin LHC:n törmäyksissä ihminen on lämmittänyt ainetta miljoona kertaa korkeampiin lämpötiloihin.

Sen sijaan neutronitähden magneettikenttä voi olla miljardi kertaa voimakkaampi kuin mitä ihminen on teknologiallaan saanut aikaan. Taustalla on samanlainen ilmiö kuin pyörimisnopeuden kasvussa: kun tähti romahtaa ja magneettikenttä puristuu pienempään tilaan, sen voimakkuus kasvaa. Magneettikentästä voi tulla niin vahva, että se synnyttää elektroni-positroni-pareja. Alas varistessaan tällaiset hiukkassuihkut saavat aikaan kuumia täpliä neutronitähden pinnalla.

Kun tähti pyörii, Maassa mittaamamme röntgensäteet muuttuvat sekunnin tuhannesosan nopeudella. Signaallista voidaan päätellä millaisia täpliä tähden pinnalla on sekä tähden massa ja säde. Havaintolaitteella pitää olla hyvä ajoitustarkkuus. Koska neutronitähdet ovat tuhansien valovuosien päässä, ne ovat himmeitä, joten detektorilla pitää myös olla iso pinta-ala ja pitkä havaintoaika fotonien keräämiseen. NICER-teleskooppi on suunniteltu juuri tähän.

Neutronitähdissä aika-avaruus on niin voimakkaasti kaareutunut eli gravitaatio on niin voimakasta, että pitää ottaa huomioon yleinen suhteellisuusteoria. Neutronitähtien pinnalta nousevat röntgensäteet menettävät 10%-25% energiastaan punasiirtymän takia. Tämä on isompi punasiirtymä kuin mitä valo kokee maailmankaikkeuden laajenemisen takia miljardissa vuodessa. Auringossa vastaava energian menetys on vain miljoonasosa, Maapallolla miljardisosan kymmenesosa. Neutronitähden vahva gravitaatio myös taivuttaa valoa niin paljon, että pystymme näkemään samaan aikaan neutronitähden etupuolen ja osan takapuolta, kun takaa lähtevä valo taipuu takaisin kohti tähteä.

Toistaiseksi vain neljästä pulsarista on tarpeeksi tarkkaa dataa, joka on analysoitu huolella. Mauviard on keskittynyt yhteen näistä, kuuden tuhannen valovuoden päässä majailevaan pulsariin JO614-3329. Yhdessä muun tutkimusryhmän kanssa hän on osoittanut, että tässä pulsarissa on kaksi kuumaa täplää sekä määrittänyt sen massan 4% tarkkuudella ja säteen 10% eli kilometrin tarkkuudella.

Tarkkuus on lähellä sitä mitä neutronitähden ytimen rakenteen selvittämiseen tarvitaan, mutta ei riitä maaliin. Itse asiassa uudet havainnot ovat hieman siirtäneet aiempia arvoja ja siksi höllentäneet rajoja sille, millaista ainetta ytimessä voi olla, sen sijaan että ne olisivat rajoittaneet sitä enemmän. Pian tarkkaan syynättyjen pulsareiden lukumäärä kasvaa neljästä kuuteen, ja lisää voitaneen mitata. Kenties gravitaatioaaltojen avulla voidaan myös mitata neutronitähtien pinnalla olevia millimetrin korkuisia vuoria.

Gravitaatioaaltohavainnoissa on hiljattain siirrytty muutamasta kohteesta satojen havaintojen tilastolliseen tarkasteluun, ja kosmologiassa galaksien ja muiden mittauskohteiden määrät lasketaan miljoonissa. Tähän verrattuna neutronitähtien tutkimuksessa on vielä jotain vanhan ajan käsityön henkeä.

Horjuva kivijalka

17.6.2026 klo 14.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitin viime kuussa siitä miten maailmankaikkeuden laajeneminen synnyttää hiukkasia. Yksi lukija kysyi, että eikö tämä ole vastoin energian säilymisen periaatetta. Vastaus on kyllä: yleisen suhteellisuusteorian mukaan energia ei säily.

Säilymislait ovat keskeisiä fysiikassa. Ilman niitä vakaata ainetta ei olisi olemassa ja maailma näyttäisi hyvin erilaiselta. Isaac Newtonin 1600-luvulla löytämässä klassisessa mekaniikassa energia, liikemäärä ja pyörimismäärä säilyvät. James Maxwellin lopulliseen muotoonsa 1860-luvulla saattamassa klassisessa sähkömagnetismissa myös sähkövaraus säilyy.

Kvanttifysiikka ei muuta näitä säilymislakeja. Sen sijaan yleinen suhteellisuusteoria osoittaa, että energia, liikemäärä ja pyörimismäärä eivät säily. Energian säilyminen ei ole rikkumaton laki, se on vain approksimaatio, joka on hyvä esimerkiksi Aurinkokunnassa, mutta ei kosmisessa mittakaavassa.

Aloitetaan siitä, miksi jotkut suureet ylipäänsä säilyvät. Matemaatikko Emmy Noether osoitti vuonna 1918, että jos systeemiä kuvaavat lait ovat samanlaiset kaikilla jonkin muuttujan arvoilla, niin on olemassa tätä muuttujaa vastaava säilyvä suure. Lause on niin yksinkertainen, että sitä voi olla vaikea hahmottaa. Esimerkit selventävät asiaa.

Klassisessa fysiikassa kappaleiden liikkeitä kuvaavat lait ovat samat kaikkina aikoina. Tästä seuraa, että energia säilyy. Vastaavasti liikemäärä säilyy, koska fysiikan lait ovat samat joka paikassa avaruudessa ja pyörimismäärä säilyy, koska ne ovat samat joka suunnassa. Energiaa ja muita säilyviä suureita voi siirtyä systeemin osasta toiseen, mutta niiden kokonaismäärä on vakio.

Sähkövarauksen säilymisen syy on monimutkaisempi, se ei liity aikaan eikä avaruuteen, palaan aiheeseen myöhemmässä merkinnässä. Ilman energian, liikemäärän ja sähkövarauksen säilymistä ei olisi vakaata ainetta. Tavallinen aine koostuu protoneista, neutroneista ja elektroneista.

Elektroni on vakaa, koska se on kevyin hiukkanen, jolla on sähkövaraus. Se ei voi hajota, koska ei ole mitään hiukkasia, joiden yhteenlaskettu energia ja sähkövaraus olisi pienempi. Fotonien energia voi olla miten pieni tahansa, mutta niillä ei ole sähkövarausta. Up- ja down-kvarkkien sähkövaraus on pienempi kuin elektronin, mutta niiden massa ja siksi energia on isompi. Protoni on vastaavasti kevyin hiukkanen, jolla on baryoniluku, joten sekään ei voi hajota. Yksinäisen neutronin elinikä on noin 15 minuuttia, ne ovat vakaita vain atomiytimissä yhdessä protonien kanssa.

Isossa mittakaavassa pyörimismäärän säilyminen takaa sen, että on olemassa galakseja, aurinkokuntia ja planeettoja. Kun Aurinkokunta muodostui, suurin osa aineesta romahti keskelle missä aineen tiheys kasvoi niin paljon, että ydinreaktiot syttyivät eli Aurinko syntyi. Osa aineesta vältti tämän kohtalon siksi että se kiertää keskustan ympäri niin vinhaan. Maapallo ei putoa Aurinkoon, koska tämä rikkoisi pyörimismäärän säilymistä. Samasta syystä Aurinkokunta ja muu aine ei putoa Linnunradan keskustan mustaan aukkoon.

Säilymislait ovat maailmankaikkeuden kivijalka. Miksi yleisessä suhteellisuusteoriassa osa näistä säilymislaista ei päde – ja miksi maailma on silti jokseenkin vakaa?

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika ja avaruus ovat erottamaton kokonaisuus, neliulotteinen aika-avaruus. Aika-avaruus on kuin on torni, missä on avaruuden siivuja pinossa, ja aika kulkee alhaalta ylös. Tätä voi ajatella myös niin, että avaruus kehittyy ajassa. Ja koska avaruus muuttuu, energia ei säily. Vastaavasti liikemäärä ja pyörimismäärä eivät säily, koska avaruus ei ole samanlainen kaikkialla ja kaikissa suunnissa.

Punasiirtymä on tunnetuin esimerkki siitä, että energia ei säily. Maailmankaikkeudessa matkaavan valon aallonpituus venyy avaruuden laajenemisen takia, joten sen energia laskee. Punaisen valon aallonpituus on ihmisen silmän havaitseman valon alueelta pisin, joten laajenemisen takia näkyvän valon väri siirtyy kohti punaista ja lopulta sen yli infrapunaan, ihmisen havaintokyvyn tuolle puolen.

Kyse ei ole pienestä muutoksesta. Kun valo ja aine irtosivat maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuoden ikäinen, 14 miljardia vuotta sitten, maailmankaikkeuden täyttävän kosmisen mikroaaltotaustan fotonien energia oli 1090 kertaa isompi kuin tänään. Kun atomiytimet syntyivät maailmankaikkeuden ollessa kymmenen mikrosekunnin ikäinen, näiden fotonien energia oli miljardi kertaa isompi kuin nyt.

Hyvin varhain, kosmisen inflaation aikaan, aineen energia kasvoi pienenemisen sijaan. Tämä johtuu siitä, että silloin inflaatiota ajavan kentän energiatiheys oli lähes vakio. Koska energia on energiatiheys kertaa tilavuus, energia kasvoi lähes samaa tahtia kuin tilavuus. Inflaation alussa koko nykyään näkemämme maailmankaikkeuden alueen energia vastasi korkeintaan tuhannen tonnin massaan liittyvää energiaa (yhtälön E=mc² mukaisesti). Se saattoi olla paljon pienempikin – emme tiedä tarkkaan koska inflaatio alkoi.

Vastaavasti, jos pimeä energia on vastuussa maailmankaikkeuden nykyisestä kiihtyvästä laajenemisesta, niin sen energiatiheys on lähes vakio ja energia kasvaa maailmankaikkeuden laajetessa.

Aurinkokunnassa ja Linnunradassa avaruus ei laajene, ja avaruuden muutokset ajassa ovat pieniä muualla kuin mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäyksissä. Niinpä energian säilymisen rikkoutuminen on täällä kotosalla mitättömän pientä. Avaruus on myös lähes samanlainen joka paikassa ja suunnassa niin kotona Linnunradassa kuin kosmisessa mittakaavassa, joten liikemäärä ja pyörimismäärä säilyvät niin paikallisesti kuin isossa mittakaavassa.

Voi olla houkuttelevaa ajatella, että kun aika-avaruus otetaan kunnolla huomioon, niin energia kuitenkin säilyy, se vain siirtyy aineelta aika-avaruudelle. Olen esimerkiksi kuullut selitettävän, että valo tekee työtä maailmankaikkeuden laajenemiseen ja siksi sen energia laskee. Yleisessä suhteellisuusteoriassa asia ei kuitenkaan ole näin.

Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika-avaruudelle ei yleensä voi määritellä mitään energiaa. Poikkeuksia on. Mustille aukoille energia voidaan määritellä, samoin heikoille gravitaatioaalloille. Mutta esimerkiksi maailmankaikkeuden laajenemiseen ja muihin ajassa kehittyvän avaruuden piirteisiin ei pystytä liittämään energiaa.

Joidenkin fyysikoiden mielestä tämä on ongelma, ja he etsivät toisenlaisia gravitaatioteorioita, joissa se ratkeaa – joidenkin mukaan ovat jo ongelman ratkaisseetkin. Toiset näkevät asian niin, että yleinen suhteellisuusteoria osoittaa, että energia ei ole perustavanlaatuinen osa fysiikan lakeja, se on vain ominaisuus, joka voidaan määritellä tietyille systeemeille mutta ei toisille. Onkin tavallista, että fysiikan edetessä aiemmin perustavanlaatuisina pidetyt käsitteet osoittautuvat approksimaatioiksi. Suhteellisuusteoriassa näin käy erilliselle ajalle ja avaruudelle sekä energialle, kvanttifysiikassa esimerkiksi hiukkasille.