Koneiden kuvitelmat

29.2.2024 klo 21.30, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime perjantaina Guilhem Lavaux tutkimuslaitoksesta Institut d’Astrophysique de Paris puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston astrofysiikan seminaarisarjassa koneoppimisesta kosmologiassa.

Koneoppiminen, joka tunnetaan myös nimellä AI (artificial intelligence eli tekoäly) on muotia, ja sitä halutaan käyttää kaikkialla, mukaan lukien paikoissa, joissa sen hyöty on kyseenalainen. On kuitenkin myös asioita, joihin koneoppimista tarvitaan.

Kosmologiset havainnot etenevät rivakasti. Parhaillaan havaintoja tekevän Euroopan avaruusjärjestö ESA:n satelliitin Euclid mittaukset kattavat maailmankaikkeuden osan, jonka tilavuus on 5 000 kuutiomiljardivalovuotta (vrt. kuutiokilometriä), eli yli 1030 kuutiovalovuotta, ja se havaitsee yli miljardi galaksia.

Datan määrä on kasvanut nopeammin kuin koneiden laskentateho, mikä vaikeuttaa havaintojen käsittelyä ja vertaamista teorioihin. Jossain vaiheessa havainnoissakin tulee raja vastaan: Euclid näkee jo noin 4% havaittavissa olevasta maailmankaikkeudesta. Paremmilla laitteilla jotka näkevät himmeämpiä kohteita voi vielä mitata tuhat kertaa enemmän galakseja kuin Euclid, mutta sitten ne on kaikki kartoitettu. Joka tapauksessa dataa tulee valtavasti, ja koneoppimisesta halutaan apua sen käsittelyyn.

Koneoppimisessa annetaan ohjelmalle joukko esimerkkejä, jotta se oppii tunnistamaan niistä oleellisia piirteitä, jaottelemaan niitä mielekkäästi ja tuottamaan uusia tapauksia itse. Esimerkiksi harjoitusaineistona voi olla kasa kuvia ja tieto siitä missä niistä on ihmiskasvot ja missä ei, jotta ohjelma oppii tunnistamaan kasvoja ja tekemään uusia kasvokuvia.

Koneoppimisen vahvuus on se, että ohjelmoijan ei tarvitse tietää mikä on oleellista, vaan ohjelma kehittyy itse hahmottamaan, mikä on tärkeää tunnistamisen ja toistamisen kannalta.

Lavaux kertoi, miten tätä käytetään kosmologisissa simulaatioissa. Perinteisissä simulaatioissa ohjelmalle annetaan aineen jakauma alussa sekä fysiikan lait, jotka määrittävät, miten aine vuorovaikuttaa. Sitten ohjelma laskee miten aine liikkuu. Koska kosmologiassa halutaan määrittää tunnettuja asioita tarkemmin sekä etsiä poikkeamia tunnetuista fysiikan laeista, on tärkeää simuloida useita eri vaihtoehtoja, jotta tiedetään mitä etsiä havainnoista.

Koneoppimisessa ohjelma koulutetaan joukolla simulaatioita, joista se oppii tunnistamaan miten rakenteet kehittyvät eri tapauksissa. Sitten ohjelmalle annetaan aineen jakauma alussa sekä yksinkertaistetun laskun tulos siitä, miten aine liikkuu. Ohjelma korjaa oppimansa perusteella tulosta parhaaksi katsomallaan tavalla.

Tämä on sata kertaa nopeampaa kuin simulaatioiden tarkka laskeminen. Lopputuloksen luotettavuutta on kuitenkin vaikea arvioida. Lavaux’n esittämien vertailujen perusteella koneoppimisen ja tarkkojen laskujen tulokset vastaavat tällä hetkellä toisiaan prosentin tarkkuudella niistä asioista, mitä on verrattu. Tätä voidaan varmasti parantaa.

Olen kuitenkin epäilevä. Mikään ei takaa, että koneoppiminen antaa oikean tuloksen myös sellaisille asioille, joita ei ole tarkistettu. Päinvastoin, on varmaa, että se ei anna kaikesta oikeaa tulosta. Oppiva ohjelma on nopea, koska se sivuuttaa paljon epäoleellisiksi katsomiaan piirteitä. Mutta kosmologiassa ei ole etukäteen täysin selvää, mikä on oleellista ja mikä ei.

Koneoppimisen vahvuus on myös sen ongelma: kun ei tiedä mitä ohjelma pitää oleellisena, on vaikea sanoa mitkä piirteet se sivuuttaa epäoleellisina. Kosmologian tapauksessa oppiva ohjelma käytännössä yksinkertaistaa fysiikan lakeja, jotka määrittävät sen, miten aine liikkuu. Koska havaintojen tarkoituksena on löytää pieniä ja uusia poikkeamia tunnetuista fysiikan laeista, mutta emme tiedä millaisista poikkeamista on kyse, on vaikea sanoa, sivuuttaako ohjelma oleellisia seikkoja.

Jos ohjelma löytää datasta uuden piirteen jota ei oikeasti ole olemassa, se on helppo tarkistaa ja hylätä. Mutta jos se hukuttaa signaalin kuvitelmaansa siitä, mitä tuloksen pitäisi näyttää, niin puutetta on vaikeampi korjata.

Sudenkuoppa syvenee, kun koneoppimista käytetään datan analysoimiseen. Data ja teoria eivät koskaan ole täysin erillisiä. Datan siivoamisessa ja analysoimisessa käytetään aina teoriaan perustuvia odotuksia siitä, miltä datan pitäisi näyttää, ja datan ja teorian arviointi kulkevat käsi kädessä. Jos teoriaa korvataan koneoppimisella, ennusteiden lisäksi myös datasta saattaa hukkua joitakin piirteitä.

Lavaux puhui myös koneoppimisen käyttämisestä toisenlaiseen tehtävään: auttamaan teorian ja havaintojen yhteyden löytämisessä korvaamatta teoriaa.

Tämä on ongelma, jonka ratkaisemiseen koneoppiminen soveltuu hyvin. Teoriassa on tyypillisesti useita erilaisia lukuja, jotka halutaan selvittää datasta. Ne kuvaavat esimerkiksi tavallisen aineen, pimeän aineen ja pimeän energian määriä ja alkujakaumaa.

Koska havaintojen yksityiskohdat riippuvat näistä luvuista monimutkaisella tavalla, voi olla vaikea löytää ne luvut, jotka kuvaavat havaintoja parhaalla tavalla. Koneoppiminen voi nopeuttaa oikeiden lukujen löytämistä huomattavasti, ja tuloksen voi tarkistaa.

Kuten muillakin aloilla, myös kosmologiassa koneoppimisen käyttö kasvaa nopeasti: viimeisimmässä konferenssissa aiheesta oli 400 osallistujaa, mikä on kosmologiassa paljon. Kun Lavauxilta kysyttiin, missä alan ongelmissa koneoppiminen hänen mielestään auttaa kymmenen vuoden aikana eniten, hän vastasi että on vaikea sanoa, kun siinä tapahtuu iso murros kuuden kuukauden välein tai useammin.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kuplahäiriköt

21.2.2024 klo 21.28, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Toissaviikolla Mark Hindmarsh puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarissa olomuodon muutoksista varhaisessa maailmankaikkeudessa ja kylmässä heliumissa. Mark ja Kuang Zhang kirjoittivat aiheesta myös Fysiikan tutkimuslaitoksen blogiin. Molemmat ovat tutkijoina sekä Helsingin että Sussexin yliopistoissa.

Mark ja Kuang ovat pääasiassa kiinnostuneita siitä, miten aineen olomuoto muuttuu maailmankaikkeuden ollessa sekunnin miljardisodan sadasosan ikäinen. Silloin lämpötila laskee alle miljoonan miljardin asteen, ja Higgsin kenttä muuttaa olomuotoaan – tavallaan jäätyy. Higgsin jäätyminen saattaa alkaa kuplien muodostumisella, samaan tapaan kuin veden kiehuminen. Kuplien pinnan lähellä voi kehittyä enemmän ainetta kuin antiainetta, ja niiden törmäysten mainingit saattavat synnyttää voimakkaita gravitaatioaaltoja, joita valmisteilla oleva LISA-satelliittikolmikko voi havaita.

Hiukkasfysiikan Standardimallissa ei synny kuplia, mutta on valtava määrä Standardimallin laajennuksia, joissa tilanne on toinen. Yleensä hiukkasfysiikot ja kosmologit keskittyvät siihen, millaisia nämä laajennukset ovat ja miten uudet hiukkaset ja vuorovaikutukset vaikuttavat olomuodon muutokseen.

Mark ja Kuang yhteistyökumppaneidensa kanssa ovat ottaneet askeleen taaksepäin. He pohtivat sitä, onko olomuodon muutosta käsitelty alkuunkaan oikein. On olemassa yleisesti käytetty teoria kuplien syntymiselle, ja he tutkivat, voiko sen ennusteisiin luottaa vertaamalla niitä havaintoihin sellaisen aineen tapauksessa, mitä voi mitata maanpäällisissä oloissa.

Joitakin arkisiakin olomuodon muutoksia ymmärretään vielä vajavaisesti. Kaikki tietävät, että normaalipaineessa vesi jäätyy nollassa ja kiehuu sadassa asteessa. Mutta tämän laskeminen vesimolekyylien teoriasta ei ole yksinkertaista. Yksi ongelma on se, että suuri osa olomuodon muutoksista alkaa aineessa olevista epäpuhtauksista: pienet häiriöt johtavat suuriin muutoksiin. Jos lämmittää puhdasta vettä, se säilyy normaalipaineessa nestemäisenä 300 asteeseen asti. Vastaavasti jäähtyvän puhtaan vesihöyryn ennustetaan pysyvän kaasumaisena 50 asteeseen asti.

Veden tapauksessa tämä käytös osataan jokseenkin laskea. Mark ja kumpp. ovat kiinnittäneet huomionsa helium-3:een, eli aineeseen jonka ytimet koostuvat kahdesta protonista ja yhdestä neutronista. Kun lämpötila on noin asteen tuhannesosan verran absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, helium-3:lla on kolme erilaista olomuotoa, joiden nimet ovat normaali, A ja B. Kuten veden tapauksessa, riippuu lämpötilasta ja paineesta, missä olomuodossa aine on. Mutta toisin kuin veden kohdalla, teoreettiset laskut ja havainnot ovat aivan ristiriidassa.

Kun soveltaa puhtaaseen helium-3:een varhaisessa maailmankaikkeudessa käytettävää teoriaa kuplista, saa tulokseksi että jos helium-3 päätyy olomuotoon A, se pysyy siinä äärimmäisen kauan – paljon kauemmin kuin miljardeja vuosia. Kokeissa kuitenkin nähdään, että olomuoto A muuttuu B:ksi minuuteissa tai tunneissa.

On ainakin kaksi mahdollisuutta: joko (kuten vedelle) häiriöt ovat tärkeitä olomuodon muutoksissa, tai sitten teoria kuplien muodostumisesta on väärin. Mark ja kumpp. tutkivat asiaa teoreettisesti ja kokeellisesti Aalto-yliopiston matalan lämpötilan asiantuntijoiden sekä Lancasterin ja Royal Hollowayn yliopistojen kokeellisten fyysikoiden kanssa.

Vaikka tekisi helium-3:a miten huolella tahansa, epäpuhtauksilta ei voi välttyä. Lähes kaikki aine on radioaktiivista, eli sisältää ytimiä jotka hajoavat. Hajoamisessa syntyvät hiukkaset voivat kiitää helium-3:en sisälle, tahrata sen puhtauden ja käynnistää olomuodon muutoksen. Lisäksi Maapallolle tulee koko ajan avaruudesta kosmisia säteitä. Ne iskeytyvät ilmakehän atomeihin, ja törmäyksessä syntyvät hiukkaset voivat lentää maan pinnalle, häiriköidä kokeessa käytettävää helium-3:ta ja työntää olomuodon A pois tasapainosta.

Samanlaisia ongelmia tulee vastaan kun etsitään pimeää ainetta. Silloin pitää erottaa pimeän aineen törmäykset muiden hiukkasten tönimisestä. Kun laitteen panee kaivokseen, yllä oleva kivikuori pysäyttää taivaalta tulevat hiukkaset. Laitteesta tulevat ydinten hajoamistuotteet taasen erottaa siitä, että ne törmäävät yleensä lähellä astian reunoja, eivät sen sisuksissa.

Toinen mahdollinen häiriöiden lähde on reunat. Jossain helium-3:n pitää kohdata muu aine, ja kohtaamispinnan epätasaisuus voi suistaa olomuodon pois tolaltaan. Royal Hollowayssä rakennetaan helium3:lle astia, jonka on niin tasainen kuin atomit vain sallivat. Lancasterin yliopistossa taasen eristetään olomuoto A magneettikenttien avulla reunoista.

Mark ja kumpp. ovat jo laskeneet simulaatioiden avulla teoreettisesti, mitä tapahtuu kun olomuotoa A häiritään. Tällöin syntyy olomuodon B kuplia, mutta vastoin odotuksia helium-3 ei siirry ollenkaan normaaliin olomuotoon. Ei vielä ymmärretä, miksi näin on.

Tarkemmat teoreettiset laskut ja kokeiden tulokset osoittavat, onko teoria kuplien muodostumisesta virheellinen vai selviääkö kaikki häiriöillä. Edellisessä tapauksessa arviot aineen ja antiaineen epäsuhdan ja gravitaatioaaltojen syntymisestä varhaisessa maailmankaikkeudessa menevät uusiksi.

Jälkimmäisessä tapauksessa ongelmaa ei ole: varhaisen maailmankaikkeuden aine on erittäin puhdasta ja ulottuu rajattomiin, eli sillä ei ole reunoja. On tosin mahdollista, että sama Standardimallin laajennus, jonka takia syntyy kuplia, saa aikaan myös kosmisia säikeitä tai muita eksoottisia epätasaisuuksia, jotka muuttaisivat tilanteen.

LISA:n on määrä nousta Aurinkoa kiertävälle radalle vuonna 2035, eli on vielä vuosikymmen aikaa saada ennusteet valmiiksi. Samalla saadaan kenties ymmärrettyä muitakin kuin kosmologisia olomuodon muutoksia paremmin.

8 kommenttia “Kuplahäiriköt”

  1. Miguel sanoo:

    Kiitos näistä blogeista. Päivittäin tsekkaan, onko uutta. Noita lämpötiloja on vaikea ymmärtää. On absoluuttinen nollapiste, 0-astetta ja sata celsiusta ja muutama tuhat, mutta mitä on oikeastaan miljoona miljardi astetta? Miten se eroaa pelkästä miljardista? Ja sitten noista Lisa-havainnoista, kauanko niitä gravitaatioaaltoja tulee universumin alusta, onko ne aallot jo menneet,vai tulevatko ne vasta Lisan elinajan mentyä? Olen ymmärtänyt, että se on pulssimainen tapahtuma ja jos kesto on tosiaan miljardisosan sadasosan ikäinen.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos!

      Miljoona miljardia astetta on miljoona kertaa enemmän kuin miljardi astetta, samaan tapaan kuin miljoona metriä on miljoona kertaa enemmän kuin metri.

      Gravitaatioaallot matkaavat valonnopeudella. Mutta koska niitä on syntynyt kaikkialla avaruudessa, niitä tulee meille koko ajan, yhä kauempana olevista avaruuden osista.

  2. Cargo sanoo:

    Millaisessa tilassa aine mahtaa olla alkuräjähdyksen aikoihin? Meinaan vaan, että vallitseeko silloin jokin superpositiotila, jossa aine on samaan aikaan kaikissa eri olomuodoissa? Näin nojatuolistakäsin ajateltuna luulisi myöhempien tapahtumien ennustamisen olevan sangen vaikeaa, etenkin kun maailmankaikkeiden tapauksessa ei ole kyse mistään toistokokeesta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Maailmankaikkeuden aivan alusta ei tiedetä mitään, ei edes sitä onko sellainen ollut. Mutta tämä ei vaikuta ennustamiseen, koska inflaatio ja sen jälkeen lämpötasapaino pyyhkivät pois suurimman osan kaikesta edeltävästä.

      Lisää aiheesta:

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

  3. Miguel sanoo:

    Sitä miettii, että lämpötila on lopulta vain energiaa. ”Ei lämpöä” . Liike-energiaa, mutta jos ei ole edes hiukkasia tai voimia ennen jäähtymistä, niin mitä se lämpötila on? Voidaanko ton energian määrä laskea lämpötilasta ja sen energian pitäisi lopulta olla jäätynyt sidosvoimiksi, gravitaatioksi, aineeksi ja siksi pimeäksi energiaksi tai massaksi. Liittyykö tää edes löyhästi tähän pimeän energian tai massan massiivisen ylimäärän arvioon. Vai miten näitä lasketaan?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Lämpötila mittaa tosiaan lämpötasapainossa olevien hiukkasten liike-energiaa. Mitä isompi lämpötila, sitä isompi liike-energia.

      Tällä ei ole mitään tekemistä pimeän aineen tai pimeän energian määrän kanssa.

      1. Miguel sanoo:

        Kysyn vielä, kun asia kiehtoo, vaikka voi mennä raikkasti ohi merkinnän, että jos lämpötila on liike-energiaa, niin onko kentillä liike-energiaa? Syntyikö termodynamiikka sillä hetkellä, kun hiukkaset saivat massan Higgsin kentän jäätymisen myötä. Termodynamiikka lienee yksi fundamentaalista termeistä fysiikassa. Mukaan lukien mm. ajan suunta. Ennen ei kai voinut olla liike-energiaa. Ajan alku lienee ollut sekavaa, U- käännöksiä. Ja lopulta joku murkku-kapina-teini ylitti sen rajan, josta ei ollut paluuta. Ja sillä tiellä mennään. Kuolinvuoteella: ”mikä oli elämäsi highlighti”. ” Loin Universumin” :⁠-⁠)

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kyllä, kentillä on liike-energiaa. Termodynamiikka on fysiikan haara, ei fysikaalinen ilmiö.

          Lämpötasapainosta ja termodynamiikasta, ks.

          https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/ikuisuus-vailla-lampokuolemaa/

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

          Ei tästä sen enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Parisuhteita

30.1.2024 klo 21.25, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla Giorgio Mentasti Iso-Britannian Imperial Collegesta puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa Aurinkokunnan käyttämisestä gravitaatioaaltojen havaitsemiseen.

Sen jälkeen kun LIGO-koeryhmä helmikuussa 2016 ilmoitti ihmiskunnan historian ensimmäisestä suoraan havaitusta gravitaatioaallosta, niistä on tullut astrofysiikan ja kosmologian keskeisiä tutkimuskohteita.

Gravitaatioaalloilla, kuten sähkömagneettisella säteilyllä, on eri aallonpituuksia. Kun tähtitieteessä on laajennettu havaintoja uusille aallonpituuksille, on löytynyt uudenlaisia ilmiöitä. Esimerkiksi mikroaaltojen, röntgensäteiden ja radioaaltojen kautta havaitaan erilaisia kohteita kuin näkyvän valon avulla. Samaan tapaan eripituisten gravitaatioaaltojen avulla näkee eri kohteita.

LIGO-havaintolaitteet, jotka toimivat yhdessä Virgo– ja KAGRA-laitteiden kanssa, ovat nähneet kymmeniä gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on noin tuhat kilometriä. Euroopan avaruusjärjestö ESA:n LISAsatelliittikolmikon on määrä nousta taivaalle vuonna 2037 mittaamaan gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on miljardi kilometriä, ja kiinalaiset kilpailijat TianQin ja Taiji kirivät ehtiäkseen ensin. Pulsareiksi kutsuttujen pyörivien neutronitähtien lähettämien radiosignaalien avulla on kenties havaittu gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on kymmenen valovuoden suuruusluokkaa.

Samalla fyysikot yrittävät keksiä muita keinoja gravitaatioaaltojen havaitsemiseen. Mentis ja hänen väitöskirjaohjaajansa Carlo Contaldi ehdottavat uutta mutta vanhanaikaista menetelmää: mitä jos kalliiden lasersäteiden ja monimutkaisten satelliittien sijaan katsottaisiin Aurinkokunnan kappaleiden liikkeitä?

Aurinkokunnassa on arviolta miljardi asteroidia ja muuta pientä kappaletta. Niistä noin miljoonan paikat tiedetään. Kun gravitaatioaalto, jonka aallonpituus on Aurinkokuntaa isompi, pyyhkäisee halki Aurinkokunnan, se vaikuttaa samalla tavalla kaikkialla. Tällaisia gravitaatioaaltoja odotetaan olevan maailmankaikkeudessa paljon, ja vaikka mittausmenetelmä ei pystyisi erottamaan yksittäisiä kohteita, se voi havaita aaltojen yhdessä muodostaman kohinan – tähän Mentasti ja Contaldi tähtäävät.

Gravitaatioaaltoja on vaikea havaita, koska niiden aiheuttama muutos yksittäisen kappaleen rataan on pieni, mutta kappaleiden iso lukumäärä helpottaa. Mentastin ja Contaldin menetelmässä seurataan kappaleiden paikkoja suhteessa toisiinsa, joten oleellista on erilaisten asteroidiparien määrä: miljoonasta asteroidista saa muodostettua miljoona miljoonaa paria.

ESA:n Gaia-satelliitti on seurannut Aurinkokunnan asteroideja kymmenen vuotta. Elokuussa aloittava Vera C. Rubin -observatorio mittaa kymmenen vuoden aikana yli viiden miljoonan kappaleen paikkoja Aurinkokunnassa. Signaalin voimakkuus kasvaa nopeasti ajan myötä: mitä pidempään kohteita seuraa, sitä isomman poikkeaman gravitaatioaallot aiheuttavat.

Valitettavasti Gaian herkkyys on sata kertaa ja Rubin-observatorion miljoona kertaa pienempi kuin mitä pulsarien mahdollisesti havaitseman gravitaatioaaltotaustan havaitsemiseen vaaditaan. Havainnointiaikaa on vaikea kasvattaa paljon kymmenestä vuodesta, etenkin satelliittien tapauksessa. Mutta seuraavan sukupolven teleskoopit mittaavat asteroidien ratoja tarkemmin ja kenties havaitsevat useampia niitä. Lisää dataa voi saada myös seuraamalla kaukaisten tähtien paikkoja, ja yhdistämällä ne havaintoihin asteroideista.

Vaikka menetelmä ei ainakaan vielä ole kilpailukykyinen pulsarien kanssa, se on sikäli kiinnostava, että se ei maksa mitään. Asteroidien ratoja seurataan joka tapauksessa muista syistä, ja niiden käyttäminen gravitaatioaaltojen havaitsemiseen on ilmainen bonus. Samaan tapaan pulsarihavaintojen tapauksessa oli tärkeää, että planeettojen liikkeet oli selvitetty tarkkaan muihin tarkoituksiin; Jupiterin sijainti tiedetään 10 kilometrin tarkkuudella.

Fysiikassa tieto ei ole kerros toisensa päälle rakentuva torni, vaan se muodostaa verkon, jonka osat tukevat toisiaan. Kun käsityksemme maailmankaikkeudesta eri saroilla tarkentuu, mahdollisuus löytää poikkeamia tunnetusta fysiikasta kasvaa. Vastaavasti yksittäisten poikkeamien selittäminen muuttuu vaikeammaksi, koska selityksen täytyy olla sopusoinnussa monen muunkin asian kanssa..

Esimerkiksi kosmologian tämän hetken merkittävin ristiriita havaintojen ja teorian välillä, joka liittyy maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen, on osoittautunut vaikeaksi ratkaista, koska kun korjaa ongelman joillekin havainnoille, niin samalla huonontaa muiden tilannetta. Tämä voi viitata siihen, että teoriassa on jotain pielessä odotettua pahemmin, tai sitten havainnoissa voi olla isompia puutteita kuin mitä nyt ymmärretään. Yhteistä asteroiditapaukseen on se, että avain edistykseen on tarkemmat havainnot.

6 kommenttia “Parisuhteita”

  1. Martti V sanoo:

    Onko jotain odotettavia ilmiöitä tai ennustuksia joita uudet miittaustavat voivat paljastaa?

  2. Martti V sanoo:

    Voiko riittävän voimakas gravitaatioaalto teoriassa repiä kiinteän kappaleen rikki?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Voi.

      1. Cargo sanoo:

        Voiko jokin kvanttifluktuaatio siirtää lämpökuolleen Universumin alkuräjähdystilaan ja aloittaa koko sirkuksen alusta?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Lämpökuolemasta, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/ikuisuus-vailla-lampokuolemaa/

          Ei tästä sen enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Lilliputtien sääennusteet

21.1.2024 klo 23.23, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Toissapäivänä Joonas Nättilä Columbian yliopistosta puhui Helsingin yliopiston (minne hän pian siirtyy) astrofysiikan seminaarisarjassa neutronitähtien säästä.

Neutronitähdet ovat suosittu tutkimusaihe. Niiden törmäyksiä on havaittu gravitaatioaalloilla, ja niiden lähettämien radiosignaalien avulla on kenties löydetty uudenlaisia gravitaatioaaltoja. Lisäksi NICER-koe kansainvälisellä avaruusasemalla mittaa neutronitähtien lähettämiä röntgensäteitä entistä tarkemmin.

Neutronitähdet ovat maailmankaikkeuden tiheimpiä kappaleita (jos mustia aukkoja ei lueta kappaleiksi). Neutronitähti syntyy kun raskas tähti romahtaa, mutta tähden massa ei ole tarpeeksi iso, että aine valahtaisi mustaksi aukoksi. Neutronitähtien säde on kymmenisen kilometriä, tuhat kertaa pienempi kuin Maan. Niiden massa on paljon Maata isompi, suunnilleen yhden ja kahden Auringon massan väliltä. Neutronitähden tiheys on niin iso, että protonit ja elektronit sulautuvat yhteen ja muodostavat neutroneita, jotka pakkautuvat tiiviisti.

Yksinkertaistaen voi sanoa, että neutronitähti on jättimäinen atomiydin. Kuten olen aiemmin kirjoittanut, tämän kuvauksen tarkkuus on suunnilleen sama kuin jos sanoisi Maan olevan iso kivi. Tarkemmin katsottuna niin Maan kuin neutronitähden sisällä on erilaisia kerroksia, ja pinnalla on ohut kerros merta ja ilmakehää.

Neutronitähtien kohdalla englannin sanan atmosphere suomennos ilmakehä on hieman harhaanjohtava, koska tuo kerros ei muodostu ilmasta, vaan vapaiden ydinten ja elektronien plasmasta, jonka lämpötila on kymmenen miljoonaa astetta.

Neutronitähdet ovat voimakkaan gravitaation takia paljon Maata tasaisempia. Neutronitähdissä vuorten korkeus on korkeintaan millimetri, vain kymmenesmiljoonasosa säteestä. Maapallolla vuoret ovat tuhannesosan säteestä korkuisia nyppylöitä pinnalla, yhtä korkeita kuin mitä meri on syvä ja vain vähän ilmakehän paksuutta pienempiä. Siksi Maassa pinnanmuodoilla on säähän iso vaikutus, neutronitähdissä pieni.

Neutronitähtien meren syvyys on noin kymmenen metriä ja ilmakehän paksuus noin kymmenen senttiä. On hauskaa, miten neutronitähdissä äärimmäinen tiheys ja korkea lämpötila yhdistyvät arkiseen kokoon. Neutronitähden meren syvyys on noin tuhannesosa sen säteestä, eli se on yhtä ohut kerros suhteessa kokoon kuin Maapallollakin. Ilmakehä on sen sijaan suhteessa ohuempi kuin Maapallolla. Toisin kuin Maassa, missä meren ja ilman välinen raja on selvä, neutronitähdissä siirtymä merestä ilmaan on tasaisempi. Nättilä mainitsikin, että olisi kiinnostava tutkia meren ja ilmakehän pintaa tarkemmin.

Kun Maapalloa katsoo avaruudesta, näkee vain sen mitä ilmakehässä ja merenpinnalla (ja maanpinnalla, koska Maa ei ole kokonaan meren peitossa) tapahtuu, syvemmälle ei näe. Sama pätee neutronitähtiin. Siksi näiden ylimpien kerrosten ymmärtäminen on tärkeää.

Tähän Nättilä on pureutunut. Hänen tutkimusryhmänsä on laskenut tarkoilla simulaatioilla, miten neutronitähtien meret ja ilmakehät käyttäytyvät, eli tehnyt sääennusteita neutronitähdille. Maassa sääilmiöitä ajaa Auringosta tuleva säteily sekä maansisäiset tapahtumat kuten maanjäristykset ja tulivuoret.

Jos neutronitähti ei ole yksin, vaan sillä on yksi tai useampia tähtiä seuralaisena, niistä putoava aine aiheuttaa sääilmiöitä. Neutronitähden voimakkaan gravitaation takia aine iskeytyy pintaan isolla nopeudella, ja voi saada aikaan ydinräjähdyksen ja sitä seuraavan tsunamin pikkumeressä. Toisaalta pulsareilla on myös yksityinen elämänsä: niillä on tähdenjäristyksiä, joita on havaittu häiriöinä niiden muuten hyvin säntillisessä pyörimisessä.

Pyöriminen vaikuttaa sekin säähän niin Maassa kuin neutronitähdissä. Maapallon pyörimiseen liittyvän Coriolis-vaikutuksen takia ilmavirrat kääntyvät pohjoisella pallonpuoliskolla oikealle ja eteläisellä vasemmalle. Pallonpuoliskojen rajalla, päiväntasaajalla, Coriolis-vaikutus saa aikaan pyörremyrskyjä.

Neutronitähdet pyörivät paljon nopeammin kuin Maa, niiden päivän pituus vaihtelee sekunnin tuhannesosasta sekuntiin. Tämä johtuu siitä, että kun aine pakkautuu pienempään kokoon, sen pyörimisnopeus kasvaa. Tavallinen esimerkki tästä on taitoluistelija, joka kiihdyttää pyörimistään vetämällä raajat lähelle keskiruumista. (Ilmiötä voi kokeilla myös hyvin öljytyillä toimistotuoleilla, joskin on syytä olla varovainen.)

Tämän takia neutronitähdissä pyörremyrskyt voivat olla paljon vahvempia ja kestää kauemmin kuin Maassa. Aurinkokunnan muissa kappaleissa näkyy samanlaisia ilmiöitä, esimerkiksi Jupiterissa on jatkuvia pyörremyrskyjä, joiden keskinäinen vuorovaikutus muodostaa nauhoja. Nättilän ja kumpp. tulosten mukaan samaa tapahtuu myös joissakin neutronitähdissä, riippuen niiden pyörimisnopeudesta ja magneettikentästä.

Magneettikenttä onkin tärkeä tekijä, joka erottaa neutronitähtien sään Maan säästä. Maapallon magneettikenttä on niin heikko, että sillä ei ole suurta vaikutusta säähän. Neutronitähtien magneettikenttä on pienimmillään noin sata miljoonaa kertaa voimakkaampi kuin Maassa, ja isoimmillaan noin miljoona miljoonaa kertaa voimakkaampi.

Mitä nopeammin neutronitähti pyörii, sitä pienempiä ovat pyörteet. Nopeimmin pyörivissä neutronitähdissä pyörremyrskyjen säde on noin sata metriä, hitaimmissa se on tähden koon suuruusluokkaa, jolloin nauhoja ei synny.

Nättilän tutkimusryhmä on laskenut sääennusteita neutronitähdille, jotka pyörivät hitaasti tai nopeasti, ja joiden magneettikenttä on heikko tai vahva. Nättilä mainitsi, että olisi kiinnostava siirtyä säästä ilmaston tutkimiseen. Se vaatii paljon pidempiä simulaatioita eli enemmän tietokoneaikaa. Nyt simuloitujen tapahtumien kesto oli enimmillään sekuntien luokkaa, ilmaston saamiseksi selville pitäisi seurata neutronitähteä viikkojen ajan.

Yksi tärkeä havainto sääsimulaatioista on se, että nopeasti pyörivän neutronitähden nauhat lähettävät röntgensäteitä kirkkaammin kuin jos aine olisi tasaisesti jakautunut. Koska NICERin ja muiden kokeiden havaitsemaa röntgensäteiden kirkkautta käytetään neutronitähtien koon arvioimiseen, nauhojen takia neutronitähteä saattaa luulla todellista pienemmäksi, mikä voi johtaa virheellisiin päätelmiin sen sisärakenteesta ja siten kvarkkien vuorovaikutuksesta.

Tämä on esimerkki fysiikan eri haarojen merkityksestä toisilleen. Havaintojen ja teorian tarkalla ymmärtämisellä yhdellä alueella voi olla yllättävää merkitystä aivan muualla. Neutronitähtien sään ennustamisessa käytetään kokemusta Maan ja muiden Aurinkokunnan kappaleiden sään tutkimuksesta, mikä on kvarkeista kaukana.

Päivitys (22/01/24): Korjattu väite myrskyjen kestosta.

19 kommenttia “Lilliputtien sääennusteet”

  1. Seniorikosmetologi sanoo:

    Kerrot, mistä neutronitähden ”ilmakehä” muodostuu ja miten paksu se on, mutta ”merestä” sanot vain sen syvyyden. Voitko selventää, mistä neutronitähden meri muodostuu.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tosiaan. Samasta aineesta.

      Täällä on tarkempi kuvaus neutronitähden rakenteesta, jossa en ollut erotellut merta ja ilmakehää:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/pastaa-syvemmalle/

    2. Neutronitähden ”meri” on eräänlainen elektronien muodostama kvanttineste (ns. degeneroituneen aineen muodostama Coulomb-neste). Valkoiset kääpiöt koostuvat pääosin tästä aineesta.

      1. Kari Pennanen sanoo:

        Millainen tiheys ”meressä” vallitsee?
        Onko vertailussa valkoiseen kääpiöön kyse kääpiön ytimestä vai jostain muusta kerroksesta?

  2. jukka sanoo:

    Mikään ei voi olla tuhat kertaa pienempi. Jo yhden kerran pienempi, eli 100%, menee nollaan ja 2 kertaa pienempi menisi miinukselle. Se on tuhannesosa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ilmaisu ”N kertaa pienempi” on helposti ymmärrettävä sekä kätevä, koska sillä välttää joidenkin sanojen toistamisen ja taivuttamisen. Tässä tapauksessa ei olisi ollut niin koukeroista kuin joskus, mutta silti ilmaisussa ”tuhannesosa Maan säteestä” olisi toistunut sana säde.

    2. Mikko sanoo:

      Kiitos, minuakin alkanut häiritä yleinen tapa sanoa x kertaa pienempi vaikka tarkoitetaan x osaa. Jakolasku muuttuu sanonnassa kertolaskuksi ja se vaan on väärin. Sama virhe kuin sanoisi puolet enemmän ja tarkoittaisikin kaksinkertaista, kuten monet arkikielessä tekee.

      1. Eusa sanoo:

        Oikein olisi sanoa ”999 tuhannesosaa pienempi”, vaikkei se hyvältä näytäkään. Noin siksi, koska kielellinen ajattelu ja matemaattinen fysiikka tangenteeraavat vahvasti. Viestisi se myös lukijalle jotain avaavaa kulmaa. Toki on ymmärrettävää, että kansanomaisia ilmaisuja popularisoivassa julkaisussa tulee vain käyttäneeksi.

    3. Hande sanoo:

      Suuret kiitokset! Minuakin on vuosikausia kiusannut tämä, varsinkin näissä tiedekirjotuksissa. Eikä ole helposti ymmärrettävä, vaan aina pitää ruveta funtsimaan mitähän tarkoitetaan. Tuhannesosa tai promille olisi oikein ja selkeä.

  3. Cargo sanoo:

    Olisiko sellainen tilanne mahdollinen, että sopivan kokoisen neutronitähden suuri pyörimisnopeus antaa riittävän energian mustan aukon muodostumiselle? Ja sitten toisaalta, jos jokin ulkopuolinen kappale vetovoiman avulla hidastaisi pyörimistä, niin voisiko ko. musta aukko muuttua näkyväksi neutronitähdeksi? Vielä jos tuollainen ilmiö tapahtuisi syklisesti, niin sehän olisi hieno kosminen ilmiö 🙂

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Neutronitähden pyöriminen toimii romahdusta vastaan, se ei edistä romahdusta.

      Mustaksi aukoksi muuttuminen on peruuttamaton prosessi, musta aukko ei voi muuttua neutronitähdeksi.

      1. Eusa sanoo:

        Tämä on kyllä järkevän epäilyn piirissä niin kauan kun mustien aukkojen rekisteröinti perustuu vain epäsuoriin gravitaatiohavaintoihin. Yhdenkään aukosta epäsuorasti kertovan jatkuvan vuorovaikutuksen elinaikana ei voida havaita mitään siirtyneen pysyvästi tapahtumahorisontin sisään.

        Eksoottisten kompaktien kohteiden teoria on mahdollinen ja sen mukaan tapahtumahorisontti on vain asymptoottinen matemaattinen raja. Jos kohde menettää energiaansa, sen aine vaihtuu vähemmän eksoottiseksi ja voi periaatteessa päätyä (takaisin) neutronitähdeksi.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Mustien aukkojen olemassaoloa voi jörkevästi epäillä (vaihtoehdoista täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/ekologinen-elaintarha/), mutta nyt oli kyse siitä, voiko musta aukko muuttua takaisin neutronitähdeksi. Ei voi, ja tuskin voi mikään muukaan vaihtoehto mustille aukoille.

          Tämä riittäköön tästä.

      2. Jani K sanoo:

        Oliko maailmankaikkeus alkujaan musta-aukko? Sehän on kuitenkin muuttunut aineeksi, mukaan lukien neutronitähdiksi?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Maailmankaikkeuden alkuhetkistä ei ole tietoa. Ei ole todisteita siitä, että maailmankaikkeus olisi syntynyt mustasta aukosta, vaikka tällaisikin ideoita on tutkittu.

          Maailmankaikkeus ei muutu aineeksi, se on avaruus, jossa aine sijaitsee.

  4. miguel sanoo:

    Ihan löyhästi asiaan liittyvä kysymys: Miksi on vain neutronitähtiä, mutta ei protonitähtiä ja jos elektroni on alkeishiukkanen ilman sisärakennetta, niin mihin elektroni katoaa, kun protoni yhtyy elektroniin? Eikö siellä ole vain U- ja D-kvarkkeja protoneissa ja neutroneissa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Elektroni yhtyy protoniin ja muodostaa neutronin (ja elektronin neutriinon, joka pakenee tähdestä).

      Koska erimerkkiset sähkövaraukset vetävät toisiaan puoleensa, isot kappaleet ovat sähköisesti neutraaleja. Siksi tähdessä on yhtä paljon protoneita ja ja elektroneita.

  5. Martti V sanoo:

    Ilmeisesti suomalais tutkijat ovat tutkineet myös neutronitähden ydintä, jossa neutronit todennäköisesti hajoavat kvarkkiplasmaksi. Voiko tästä olomuodosta mainita jotain?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Neutronitähtien sisärakenteesta täällä:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/pastaa-syvemmalle/

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Jättiläisten tanssikuviot

14.12.2023 klo 21.30, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tämän vuoden odotetuin astrofysiikan ja kosmologian tapahtuma toteutui kesäkuun 29. päivä, kun viisi eri havaintoryhmää julkisti vahvoja todisteita uudenlaisista gravitaatioaalloista.

Vuonna 2020 tutkimusryhmä NANOGrav julkaisi tuloksia, jotka viittasivat gravitaatioaaltoihin. Kirjoitin silloin, että ”tarkkuus kasvaa nopeasti lisädatan myötä, ja jos NANOGrav on nähnyt gravitaatioaaltoja, sillä on niistä tilastollisesti kiistaton todiste ensi vuonna”. Huhuja tulosten julkaisemisesta aivan kohta liikkui pitkään.

Kuten tavallista, havaintojen analysoimisessa meni odotettua kauemmin. Eilen NANOGrav-ryhmän jäsen Kai Schmitz Münsterin yliopistosta, Zürichin teoreettisen fysiikan instituutista ja CERNistä kertoi eilen Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa teoreetikon näkökulman uusiin tuloksiin.

NANOGrav ja viisi muuta tutkimusryhmää ympäri maailmaa mittaavat pulsareista tulevia radioaaltoja. Pulsarit ovat neutronitähtiä, jotka pyörivät itsensä ympäri vinhaan, kymmenestä tuhanteen kertaa sekunnissa. Pulsarin pyöriessä sen lähettämän radiosignaalin suunta muuttuu. Maasta katsottuna signaali menee päälle ja pois monta kertaa sekunnissa. Pulsarien pyörimisnopeus on hyvin vakaa, joten niitä voi käyttää tarkkoina kelloina.

Kun Maapallon ja pulsarin välistä menee gravitaatioaalto, se muuttaa niiden etäisyyttä. Muutos on pieni, NANOGravin havaintojen tapauksessa noin sata metriä tuhansien valovuosien etäisyydessä. Tämä tarkoittaa sitä, että radioaallot tulevat Maapallolle vähän eri aikaan, eli pulsarin kello edistää tai jätättää.

Yksittäisen pulsarin tapauksessa ei voitaisi olla varmoja siitä, nikotteleeko pulsari vai tapahtuuko todella radioaalloille jotain niiden matkan aikana. Mutta kun tarkkaillaan kymmeniä pulsareita eri puolilla taivasta ja havaitaan kaikkien käynnin muuttuvan ennustetulla tavalla, voidaan sulkea pois se mahdollisuus, että kyse olisi pulsarien ongelmista.

Vuonna 2020 NANOGrav raportoi 12.5 vuoden ajan tehdyistä havainnoista 47 pulsarista. Niiden perusteella ryhmä ei pystynyt erottamaan sitä, muuttuvatko pulsarien signaalit taivaan eri puolilla siten kuin niiden pitäisi, jos syynä ovat gravitaatioaallot.

NANOGravin uudet tulokset perustuvat 15 vuoden havaintoihin 67 pulsarista. Lisäksi neljä kuudesta muusta koeryhmästä eri mantereilla julkisti tuloksensa samaan aikaan. Havaintoja on tehty Amerikkojen lisäksi Etelä-Afrikassa, Australiassa, Euroopassa ja Kiinassa. Eteläafrikkalainen ryhmä ei ole vielä julkistanut tuloksiaan.

Nyt NANOGrav näkee selvästi, että kellojen käynti eri puolilla taivasta on häiriintynyt juuri sellaisella tavalla kuin mitä gravitaatioaallot ennustavat. Lisäksi näiden häiriöiden aallonpituudet on saatu mitattua entistä tarkemmin. Muiden ryhmien tulokset ovat yhtäpitäviä NANOGravin tulosten kanssa.

Yhdenkään ryhmän havainnot yksinään eivät vielä ole tilastollisesti niin merkittäviä, että ne riittäisivät sen julistamiseen, että uusia gravitaatioaaltoja on löydetty. Todennäköisyys sille, että NANOGravin löytämä kuvio taivaalla ei johtuisikaan gravitaatioaallosta, vaan olisi pelkkää kohinaa, on jotain tuhannesosan ja kymmenestuhannesosan väliltä, riippuen siitä millaisia oletuksia tekee.

Hiukkasfysiikassa ja yhä enemmän myös kosmologiassa ja astrofysiikassa löytöön vaaditaan, että sattuman todennäköisyys on alle yksi miljoonasta. Tämä raja on melko mielivaltainen, ja toisaalta väitetty löytö voi olla väärin vaikka laskettu todennäköisyys olisi miten pieni, koska saattaa olla tekijöitä, joita ei ole otettu huomioon. Esimerkiksi OPERAn väite valoa nopeammista neutriinoista ja BICEP2:n väite inflaation gravitaatioaalloista osoittautui virheelliseksi, ja DAMAn väite pimeän aineen hiukkasista on luultavasti samaa sarjaa.

On kuitenkin edetty 1980-luvusta, jolloin hiukkasfyysikko Carlo Rubbia käytti omintakeisia tulkintoja siitä mikä on löytö, sekä ennen että jälkeen kuin sai Nobelin palkinnon.

NANOGrav ja muut ryhmät ovat olleet huolellisia analyysissään ja varovaisia väitteissään. Tämä lienee syynä siihen, että tulosten julkistus on venynyt. Luultavasti löydön kynnys ylittyy lähivuosina uusien havaintojen tai nyt tehtyjen havaintojen yhdistämisen myötä. Toisin kuin OPERAn tai BICEP2:n tapauksessa, tutkijoiden yhteisö ei nyt keskity siihen, onko signaali todellinen, vaan siihen mistä se on peräisin.

Yksi syy havainnon ottamiseen vakavasti on se, että sille on valmis teoreettinen selitys: toisiaan kiertävät jättimäiset mustat aukot galaksien keskustoissa.

Koeryhmä LIGO havaitsi ensimmäisen kerran vuonna 2015 toisiaan kiertävien, sulautuvien ja hetken yhdessä värisevien mustien aukkojen lähettämiä gravitaatioaaltoja. Löydöstä myönnettiin vuonna 2017 Nobelin palkinto. Sittemmin havainnoista on tullut rutiinia, ja niitä on tehty nyt noin sata. LIGOn (sittemmin mukaan on liittynyt myös italialainen Virgo ja japanilainen KAGRA) havaitsemien mustien aukkojen massa on muutamasta Auringon massasta hieman yli sataan Auringon massaan. Ne ovat luultavasti syntyneet tähtien romahduksessa.

Galaksien keskustassa on jättimäisiä mustia aukkoja, joiden massa on miljoonia tai miljardeja Auringon massoja. Jättiläisistä on paljon havaintoja –Linnunradan ja galaksin M87 aukoista jopa valokuvat- mutta ei olla varmoja siitä, miten ne ovat syntyneet ja kasvaneet.

Kun galaksit yhdistyvät, niiden keskustojen mustat aukot päätyvät kiertämään toisiaan kymmeniä miljoonia vuosia ennen yhteen sulautumista. Samalla ne lähettävät gravitaatioaaltoja. Maailmankaikkeus on täynnä näiden jättiläisparien tanssissa syntyviä aaltoja. Koska mustien aukkojen massa ja etäisyys toisistaan on isompi kuin LIGOn mustien aukkojen, gravitaatioaaltojen aallonpituus on pidempi, ja niiden taajuus on isompi: ne värähtelevät noin kerran vuodessa, minkä takia tarvitaan monta vuotta havaintoja ennen kuin niitä erottaa.

Lähteitä on niin paljon, että niitä on vaikea erottaa, joten niistä syntyy tasainen kumina, jossa on mukana eri suunnista tulevia ja hieman eri pituisia aaltoja. On kaksi syytä siihen, että ei ole varmoja siitä, että NANOGrav olisi havainnut tämän gravitaatioaaltotaustan.

Yksi on se, että aallot ovat hieman odotettua voimakkaampia, ja pitkän aallonpituuden aaltoja on mukana odotettua enemmän. Schmitz kuitenkin korosti sitä, että teoreettiset laskut ovat hyvin epävarmoja, koska mustien aukkojen liikkeitä galaksien keskustoissa ei ole vielä mallinnettu tarpeeksi huolellisesti. Tarvitaan parempien havaintojen lisäksi tarkempia teoreettisia ennusteita.

Toinen syy on se, että teoreetikoilla on liuta muita ehdokkaita.

Jos kvarkkien sitoutuminen protoneiksi ja neutroneiksi maailmankaikkeuden ollessa mikrosekunnin ikäinen on väkivaltaisempi tapahtuma kuin mitä hiukkasfysiikan Standardimalli ennustaa, siinä voi syntyä vahvoja gravitaatioaaltoja, ja niiden aallonpituus sopisi havaintoihin täydellisesti.

Vielä varhaisempina aikoina kosminen inflaatio synnyttää gravitaatioaaltoja. Jotta ne olisivat tarpeeksi voimakkaita oikealla aallonpituudella, inflaation pitäisi olla erilainen kuin mitä yksinkertaisimmissa malleissa – mutta monimutkaisten mallien tekeminen on helppoa. Toinen vaihtoehto on se, että inflaatio synnyttää isoja aineen tihentymiä, joista muodostuu mustia aukkoja, ja jotka samalla synnyttävät gravitaatioaaltoja. Jos näin olisi, näitä muinaisia mustia aukkoja pitäisi kohta näkyä. Myös kosmisia säikeitä ja muita hiukkasfysiikan eksoottisia mahdollisuuksia on ehdotettu aaltojen lähteiksi.

Monet näistä ideoista sopivat havaintoihin hyvin, mutta niidenkin ennusteissa on vielä epävarmuutta, kuten jättiläisten tanssiaskelissa.

Havaintojen parantuessa yritetään erottaa lähteiden jakaumaa taivaalla tai jopa yksittäisiä lähteitä. Varhaisen maailmankaikkeuden aallot tulevat joka puolelta tasaisesti, kun taas jättiläispareja on harvassa. Aaltojen aallonpituuden jakauman tarkempi syynääminen voi myös auttaa.

Vuonna 2037 avaruuteen laukaistava satelliittikolmikko LISA on suunniteltu näkemään gravitaatioaaltoja galaksien keskustan mustien aukkojen sulautumisesta. Sen ja NANOGravin havaintojen yhteensopivuus on aikanaan tärkeä testi NANOGravin havaintoje tulkinnalle.

Mutta ennen kuin LISAn dataa on saatavilla, NANOGrav ja muut ryhmät ovat luultavasti jo ylittäneet löydön kynnyksen. Varmaa on se, että pulsarit vetävät nyt puoleensa niin havaitsijoita kuin teoreettisia fyysikoita, ja ala siirtyy kohti astrofysiikan ja kosmologian keskustaa.

21 kommenttia “Jättiläisten tanssikuviot”

  1. Seniorikosmetologi sanoo:

    Kun gravitaatioaaltoja saapuu tutkittavaksi samaan aikaan joka puolelta universumia, niin eikö siitä synny ns. ristiaallokko. Jos syntyy, miten sellaisesta myllerryksestä pystyy sanomaan mistä gravitaatioaalto on lähtöisin ja mikä sen on saanut aikaan?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Onhan se vaikeaa. En tunne gravitaatioaaltokarttojen rakennuksessa käytetyn data-analyysin menetelmiä.

  2. Joksa sanoo:

    Ajatus inflaation kyvystä tuottaa havaittavan voimakkaita gravitaatioaaltoja ihmetyttää. Inflaatiohan ei oikeastaan ole mihinkään lakannut koska kosmologinen horisontti on edelleenkin olemassa, hieman etäänpänä vain kuin aikojen alussa. Jos inflaatio on tuottanut gravitaatioaaltoja silloin aikanaan ennen taustasäteilyn syntyä niin sen aallonpituus ja energia olisi heikentynyt huomattavasti taustasäteilyä voimakkaammin, joten sen havainnoimiseen vaadittava herkkystaso on vielä erittäin pitkässä kuusessa.

    Alussa maailmankaikkeuden laajenemisen hidastumisvaiheessa kosmologinen horisontti on etääntynyt ja nyt laajenemisnopeuden kiihtyessä horisontti taas lähenee, riittävän pitkään jatkuessaan ehkä jopa sulkeutuen. Mahtaisiko Enqvistin toteamus ”Eksponentiaalisen laajenemisen ansiosta universumin ainetiheys ja lämpötila ryntäävät nollaa kohti. Inflaation loppuessa kenttä vierii minimiinsä, jolloin tyhjiöenergian latentti lämpö vapautuu ja kuuma maailmankaikkeus saa alkunsa” olla tulkittavissa sykkiväksi maailmankaikkeudeksi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Inflaatio tarkoittaa kiihtyvää laajenemista maailmankaikkeuden alkuhetkillä, ei sitä että on horisontti.

      Jotta inflaation tuottamat gravitaatioaallot selittäisivät NANOGravin havainnot, niiden alkuperäinen voimakkuus olisi tosiaan pitänyt olla paljon isompi kuin mitä tyypilliset inflaatiomallit ennustavat. Inflaatiossa pitäisi silloin olla vaihe, jolloin kvanttifluktuaatiot ovat hyvin voimakkaita.

      Enqvistin sitaatilla ei ole mitään tekemistä sykkivän maailmankaikkeuden kanssa.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Kun ei juuri liity merkinnän aiheeseen, niin ei tästä sen enempää.

  3. Kuinkahan paljon gravitaatioaaltoenergiaa astrofysikaaliset kohteet ovat yhteensä emittoineet? Muistaakseni joskus jopa ~10 prosenttia aukkojen massaenergiasta voi muuttua gravitaatioaalloiksi, kun kaksi mustaa aukkoa sulautuu (en ole prosenttiluvusta varma). Voisi siis olla että /jos/ supermassiiviset aukot ovat kasvaneet pienemmistä aukoista sulautumalla, niiden emittoima energia saattaisi olla samaa suuruusluokkaa tai jopa suurempi kuin aktiivisten galaksiytimien sähkömagneettiset ja hiukkassuihkuemissiot. Jotka puolestaan taitavat olla ehkä vain 0-1 kertalukua pienemmät kuin tähtien emittoima valoenergia.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Joo, mustien aukkojen yhteensulautumisessa noin 10% massoihin liittyvästä energiasta kulkee gravitaatioaaltojen mukana pois. Hyvä kysymys tuo energiatiheys, en tiedä paljonko se on (en ole koskaan arvioinut sitä). Mutta lienee hyvin epätodennäköistä, että suurin osa supermassiivisten mustien aukkojen massasta tulisi muista mustista aukoista. Suurin osa tullee siitä, että tavallinen aine putoaa mustaan aukkoon.

  4. Martti V sanoo:

    Aiemmin kommenteissa Syksy mainitsi, että inflaation synnyttämät aallonpituudet ovat näkyvät maailmankaikkeuden koko luokkaa. Tästä syystä niitä ei voida mitata. Pulsarimittaukset ovat poikineet myös julkaisuja, joissa gravitaatiotausta olisi inflaatiosta peräisin.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Inflaatio synnyttää gravitaatioaaltoja monilla eri mittakaavoilla. Tyypillisissä inflaatiomalleissa ne ovat NANOGravin ehkä havaitsemalla aallonpituudella niin heikkoja, että ne eivät voi selittää havaintoja. Paras mahdollisuus niiden havaitsemiseen on kosmologisilla aallonpituuksilla, missä ne jättävät jäljen kosmiseen mikroaaltotaustaan – tätä jälkeä ei tosin sitäkään on vielä havaittu.

  5. Jyri T. sanoo:

    Gravitaatioaallot ovat energiaa. Käykö niille mustassa aukossa samoin kuin muullekin energialle (eli jkasvattavat sen massaa)?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Gravitaatioaallot ovat avaruuden värähtelyä, mihin liittyy energiaa. (Aivan kuten sähkömagneettisen kentän värähtelyyn eli valoaaltoihin liittyy energiaa.) Kysymys onkin mielenkiintoinen. Luulisin, että jos gravitaatioaalto törmää mustaan aukkoon, se kasvattaa mustan aukon massaa kuten mustaan aukkoon putoava aine kasvattaisi, mutta en ole nähnyt tarkastelua tästä.

      1. Martti V sanoo:

        Voiko gravitaatioaalloilla olla hiukkas-aalto dualismi? Olisiko kaksoisrakokoe jotenkin teoreetisesti tehtävissä?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tästä on erilaisia näkemyksiä. Kosmisten inflaation teorian menestys viittaa siihen, että pieniä häiriöitä aika-avaruudessa voi käsitellä kvanttifysiikan keinoin. Tällöin gravitaatioaalloillakin voisi periaatteessa tehdä kaksoisrakokokeen. Käytännössä olisi äärimmäisen hankalaa kohdistaa gravitaatioaaltoja menemään vain kahdesta aukosta, koska ne matkaavat niin helposti aineen läpi. Äärimmäisen hankalaa olisi myös synnyttää yksittäisiä gravitaation kvantteja, gravitoneja.)

          Kiistellään kuitenkin siitä, onko yksittäisiä gravitaation kvantteja (gravitoneja) mahdollista havaita edes periaatteessa, koska ne vuorovaikuttavat niin heikosti.

  6. Lentotaidoton sanoo:

    https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/?s=graviton
    Tässä aiemmin täällä käytyä keskusteluja gravitoneista.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos. WordPressissä on avainsana-toiminto, valitettavasti se ei Ursan blogeissa ole käytössä.

  7. Martti V sanoo:

    Hyvä viittaus. Alkeishiukkas graviton on liian heikko havaittavaksi. Mietin vain jos havaitut aallot esittävät gravitonin monikertaa ja niille saataisiin kaksoisrakokoe hyödyntämällä gravitaatiolinssejä, niin saataisiinko uutta tietoa aika-avaruuden luonteesta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kaksoisrakokoe vaatii niin systeemin vahvaa eristystä ympäristöstä, että sitä tuskin on mahdollista tehdä gravitaatiolinsseillä gravitaatioaalloille, vaikka ne vuorovaikuttavatkin heikosti.

  8. Freeman Dyson pohti viimeisinä vuosinaan juuri tuota kysymystä että onko yksittäisen gravitonin havaitseminen periaatteessa mahdollista vai ei. Jos ei ole, voiko sen tulkita niin että kvanttigravitaation olemassaolo on sopimuskysymys, tai jopa niin että on olemassa jokin teoria jossa kvanttigravitaation olemassaolo tai -olemattomuus on teorian symmetria tai dualiteettimuunnos, vähän samaan tapaan kuin bosonit ja fermionit esiintyvät supersymmetriassa. Ja miksei silloin sama koskisi muitakin kvantti-ilmiöitä kuin pelkästään kvanttigravitaatiota. (Retorisia kysymyksiä.) Ehkä se tapa jolla Planckin vakio h ja säikeiden jännitys T liittyvät toisiinsa säieteoriassa havainnollistaa tapaa jolla kvantti-ilmiöt (joita h parametrisoi) voisivat olla ”sopimuskysymys”.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      On erilaisia ideoita siitä, että gravitaatio ei olisikaan kvanttifysikaalista. Asia ei kuitenkaan pelkisty siihen voiko yksittäisiä gravitoneja havaita, koska kvanttifysiikassa on kyse muustakin. Esimerkiksi inflaation gravitaatioaallot syntyvät kvanttifluktuaatioista, ja niillä on havaittavia seuraamuksia riippumatta siitä voiko yksittäisiä gravitoneja havaita vaiko ei.

      1. Kun puhutaan inflaation kvanttifluktuaatioiden tuottamista gravitaatioaalloista, minua ihmetyttää yksi juttu. Nimittäin nuo aallot muodostavia gravitoneja lienee suuri määrä, ts. kyseisten gravitonien tiheys nykyisessä maailmankaikkeudessa on suuri. Kuitenkin ne synnyttäneitä kvanttifluktuaatioita oli kai paljon pienempi määrä, siinä melessä että jos yhdestä fluktuaatiosta tuli aina yksi galaksijoukko (karkeasti), niin noita galaksijoukkoja on nykymaailmankaikkeudessa paljon vähemmän kuin samoista fluktuaatioista syntyneitä gravitoneja. Ilmeisesti gravitonien lukumäärä on säilynyt eli ne ovat vain dilutoituneet, jos ja kun ne eivät ole juuri vuorovaikuttaneet minkään kanssa emittoitumisen jälkeen. Oliko siis niin että kvanttifluktuaatiot inflaation aikana olivat (määritelmän mukaan) pienen kvanttimäärän ilmiö, mutta prosessi jossa niistä emittoitui gravitaatioaaltoja oli varsin klassinen (suuri määrä emttoituneita gravitoneja per yksi fluktuaatioiden kvantti)? Jos, niin johtuuko tämä jotenkin triviaalisti gravitaatiovakion pienuudesta (emittoitumiseen liittyvän kytkennän heikkoudesta) vai jostain muusta?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Galaksien siemeninä toimivat aineen ja avaruuden yhteiset kvanttifluktuaatiot ovat eri asia kuin gravitaatioaaltoja synnyttävät kvanttifluktuaatiot. (Ensimmäinen on skalaari, jälkimmäinen spin-2 kenttä.) Molempien tapauksessa inflaatio synnyttää tilan, jossa hiukkasten lukumäärä on suuri.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Tieteellisen julkaisemisen tulevaisuus

7.12.2023 klo 16.16, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin yliopiston Think Open -blogiin siitä, miten avoimet nettiarkistot ja overlay-lehdet voivat mullistaa tieteellisten artikkelien julkaisemisen ja säästää miljardeja euroja tiedeyhteisön rahaa. Kirjoitus alkaa näin:

”Budapestin avoimen julkaisemisen aloitteesta on kulunut yli 20 vuotta. Open access -liikkeen veteraani Paul Ayris University College Londonin kirjastosta on todennut, että aloite on epäonnistunut tärkeimmässä tavoitteessaan – tieteellisen julkaisemisen kustannusten vähentämisessä.

Epäonnistuminen johtuu siitä, että monissa open access -hankkeissa ei ole otettu lähtökohdaksi tiedeyhteisön tarpeita ja pyritty tyydyttämään niitä kustannustehokkaalla tavalla julkaisumarkkinoista riippumatta, toisin kuin Budapestin aloitteessa linjattiin.

3 kommenttia “Tieteellisen julkaisemisen tulevaisuus”

  1. Omalla alallani olen huomannut että valitettavasti noin vuodesta 2010 eteenpäin degeneroitumisen ja ihan myös korruption merkkejä on alkanut näkyä lisääntyvästi, ja suunta on edelleen alaspäin. Referoijana on sattunut että olen sanonut paperin olevan roskaa, mutta silti editori julkaisee sen. Joskus editori on meilaamalla painostanut korjaamaan raporttiani positiviseksi, kertoen syynkin: tarvitaan lisää papereita maasta X. Toisaalta kirjoittajana olen kokenut että positiivisista referointiraporteista huolimatta editori saattaa hylätä paperin. Näitä tapauksia on useita. Sellainenkin tapaus on ollut että lähetän paperin, kuulen sattumalta kollegalta että se oli hänellä referoitavana ja että hän kirjoitti positiivisen raportin, mutta lehdestä ei kuulu mitään. Kun lopulta kysyn, lehti kehtaa väittää että paperi on jostain syytä hylätty ilman referointia. Pyydän kollegalta sen positiivisen raportin, näytän sitä lehdelle ja kysyn että miten tämä on selitettävissä. Sitten lehti vaikenee, tai tarkemmin sanottuna delegoi asian jollekin sihteerille joka ei ole ymmärtävinään mistä on kysymys. Kyseessä on periaatteessa alan päälehti, tai ainakin aiemmin sitä pidettiin sellaisena.

    Nämä valitettavan äärevät tapaukset ovat sattuneet omalle kohdalle viimeisten 10 vuoden aikana. On selvää että jos lehden päätoimittaja on korruptoitunut ja hänen päätöksistään ei voi valittaa, koko vertaisarviointijärjestelmältä putoaa pohja pois.

  2. Jyri T. sanoo:

    Korruptiosta yksi esimerkki ovat ns. predatory journals. Eräs professorikin sai CV:nsä mukaan läpi noin 50 ”vertaisarvioitua” artikkelia yhdessä vuodessa. Herää kysymys, mitä nämä julkaisut/julkaisijat olivat. Ks. https://beallslist.net/

  3. Syksy Räsänen sanoo:

    Vertaisarviointi ja predatory journals ovat oma ongelmansa, joita overlay-lehdet eivät ratkaise. Edelliseen auttaisi se, jos referee-raportit ja vastaukset niihin julkistettaisiin artikkelin kanssa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Henkien kätkemä

3.12.2023 klo 22.49, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kävin toissapäivänä katsomassa Ryhmäteatterin näytelmän Kööpenhamina. Michael Frayn käsikirjoittama teos sai ensi-iltansa vuonna 1998.

Tarinassa Niels Bohrin, hänen vaimonsa Margrethe Bohrin ja Werner Heisenbergin henget kohtaavat kuoleman jälkeen ja yrittävät selvittää mysteeriä siitä, miksi Heisenberg kävi tapaamassa Bohria syyskuussa 1941 Kööpenhaminassa. Hahmojen haamuluonnetta ei juuri hyödynnetä. Henkilöt voisivat yhtä hyvin olla elossa, paitsi että heidät on saatu kuoleman jälkeen käymään keskusteluita jollaisia heidän suhteisiinsa ei oikeasti kuulunut.

Vuonna 1941 Tanska oli Saksan miehityksen alla. Bohr ja Heisenberg olivat johtavia fyysikkoja, ja molemmilla oli ollut keskeinen osa kvanttimekaniikan löytämisessä. Bohr oli haavoittuvassa asemassa, koska hänen äitinsä vanhemmat olivat juutalaisia, joten natsien rotulakien mukaan hänkin oli juutalainen. Heisenberg oli 1920-luvulla työskennellyt ihailemansa Bohrin assistenttina Kööpenhaminassa, ja oli nyt mukana Saksan ydinaseohjelmassa.

Näytelmässä hahmot puivat tapaamista eri rooliensa kautta: miehittäjä ja miehityksen alla elävä, teoreettisen fysiikan isähahmo ja nuori tähti, kaksi vanhaa ystävää, kaksi fysiikasta eri mieltä olevaa tutkijaa, kaksi ydinaseiden kehittäjää. Niels Bohrin vaimon osaksi jää toimia kertojana ja totuuden torvena. Lisäksi Bohrin ja Heisenbergin näyttelijät avaavat kvanttifysiikkaa yleisölle sen varjolla, että hahmot selittävät niitä Margrethelle.

En ole varma paljonko fysiikkaa tuntemattomat saavat selonteosta irti. Minusta se oli paikoitellen puisevaa ja tarpeetonta, mutta joskus, kuten uraanin diffuusioyhtälöiden kohdalla, fysiikan ja hahmojen dynamiikka sopi hyvin yhteen.

Dialogilla yritetään myös nivoa vertauskuvallisesti yhteen fysiikan ilmiöitä, kuten kaksoisrakokoetta, ja inhimillistä elämää. Fysiikasta intoutuneiden elokuvien ja näytelmien helmasynti on yritys tarpeettomasti kuormittaa yleisöä fysiikan yksityiskohdilla ja latistaa niitä pinnallisilla vertauskuvilla.

Kööpenhaminassa fysiikan sisältö on selitetty (keskeiseksi vertauskuvaksi otettua Heisenbergin epämääräisyysperiaatetta lukuun ottamatta) aivan oikein, mutta (kuten Oppenheimer-elokuvassa) tässäkään näytelmässä hahmot eivät puhu fysiikasta kuin fyysikot. Turina fyysikkojen yhteisöstä laskettelu- ja pingiskilpailuineen kyllä kuulostaa aidoilta.

Fiktiossa missä käytetään oikeita ihmisiä on joskus epäselvää, miten paljon hahmojen on tarkoitus muistuttaa esikuviaan. Todellinen Heisenberg näytti harvoin tunteitaan, kun taas näytelmän hahmo repii sydänjuuriaan suomalaiselle teatterille tyypillisellä huutamisella ja muilla lavamaneereilla. Bohr tunnettiin hiljaisesta ja pohdiskelevasta puhetyylistä; vaikka näytelmän Bohr on erilainen, hänessä on samaa haparoivuutta ja älykkyyttä, jotka on roolisuorituksessa yhdistetty herkästi.

Kööpenhamina ei kuitenkaan ole fysiikan oppitunti eikä historiallinen tutkielma, vaan sepitelmä moraalista, vastuusta ja muistojen epävarmuudesta. Tarinan kantava jännite on ensimmäisellä puoliajalla avautuva mysteeri siitä, mitä Bohrin ja Heisenbergin välillä tapahtui syyskuussa 1941, miksi Bohr suuttui, mitä Heisenberg ajoi takaa ja mitä hän kätkee.

Näytelmässä käydään tapahtumia läpi eri näkökulmista. Taustalla on Heisenbergin sodan jälkeen kirjoittama kirje (lyhyt versio tässä, koko teksti täällä), jossa hän sanoi kysyneensä Bohrilta, onko fyysikoilla moraalista oikeutta työskennellä ydinenergian käytännön sovellusta parissa. Heisenberg väitti myös yrittäneensä sanoa Bohrille, että fyysikkojen kummallakaan puolella sotaa ei pitäisi valmistaa ydinaseita. Vuonna 1943 Bohr pakeni Ruotsiin ja päätyi Yhdysvaltoihin, missä hän osallistui ydinaseiden kehittämiseen.

Näytelmässä jätetään auki, estikö Heisenberg tarkoituksella Saksaa saamasta ydinasetta valmiiksi, vai eikö hän vain osannut ratkaista asiaan liittyviä teoreettisia ja käytännöllisiä ongelmia.

Reaktiona näytelmään Bohrin perikunta julkaisi vuonna 2002 sarjan kirjeitä Heisenbergille ja muita muistiinpanoja, joita Bohr oli luonnostellut vastauksena Heisenbergin julkiseksi tulleeseen kirjeeseen, mutta ei koskaan lähettänyt. Ne ovat luettavissa Niels Bohr -arkistossa. Bohr ensin kirjoitti olevansa ”suuresti hämmästynyt” siitä, miten Heisenbergin muisti pettää häntä. Myöhemmin Bohr kirjoitti ymmärtävänsä, että Heisenbergin voi olla vaikea muistaa, miten oli ajatellut ja ilmaissut itseään sodan eri vaiheissa, joiden aikana Heisenbergin vakaumus Saksan voitosta varmasti heikkeni ja lopulta päättyi varmuuteen tappiosta. Bohr sanoo sen sijaan painaneensa keskustelun tarkasti muistiin.

Bohrin mukaan Heisenberg oli varma Saksan voitosta ja sanoi, että hänen mielestään tanskalaisten oli typerää olla tekemättä yhteistyötä Saksan kanssa. Heisenberg myös kertoi tehneensä viimeiset kaksi vuotta työtä ydinaseen kehittämiseksi, ja sanoi että jos sota jatkuu tarpeeksi kauan, sen lopputulos päätetään ydinaseilla.

Tieteenhistorioitsija David C. Cassidy on kirjoittanut siitä, miten epätodennäköiseltä vaikuttaa että Heisenberg olisi etsinyt Bohrilta mitään eettistä tukea tai ehdottanut, että hän ja Bohr estäisivät ydinaseiden valmistamisen. Heisenberg teki syyskuun 1941 Kööpenhaminan matkansa lisäksi ainakin kymmenen samanlaista retkeä Saksan miehittämiin maihin Saksan kulttuuripropagandatoimiston virallisena edustajana.

Heisenberg ei ollut natsi, mutta kirjoitustensa perusteella hän mitä ilmeisemmin uskoi välittämäänsä propagandaviestiin, jonka mukaan demokratia oli liian heikko, ja vaihtoehtoina oli vain Neuvostoliitto ja kommunismi tai Saksa ja natsismi, ja natsismi oli pienempi paha. Heisenberg ei tiettävästi nähnyt itseään moraalisena toimijana. Vuonna 1942 hän kirjoitti seuraavasti:

”Meillä ei ole enää jäljellä mitään muuta kuin keskittyminen perusasioihin: meidän pitää tunnollisesti täyttää ne velvollisuudet ja tehtävät, joita elämä meille asettaa, kysymättä liian paljon miksi tai mistä syystä … Ja sitten odotamme mitä ikinä tapahtuukaan … todellisuus muuttaa itseään ilman meidän vaikutustamme.”

Näytelmä osuu lähemmäs todellisuutta kääntäessään valokeilan kohti Bohria: hän osallistui Manhattan-projektiin, jonka valmistamilla ydinaseilla tuhottiin kaksi kaupunkia ja tapettiin yli satatuhatta ihmistä. Näytelmässä Bohr ensin vähättelee osuuttaan ja sitten myöntää merkityksensä ydinpommiprojektissa, mutta ei halua käsitellä asiaa eikä koe samanlaista tarvetta oikeuttaa tekojaan kuin Heisenberg, jonka ydinaseprojekti ei onnistunut.

Näytelmässä esitetään kammottavana mahdollisuutena, että Heisenberg olisikin Bohrilta saanut keskeisen oivalluksen, ja ydinpommi olisi pudotettu johonkin eurooppalaiseen kaupunkiin japanilaisen sijaan. (Ydintuhoa enteilevä rahina on hieno äänitausta.) Tässä kohdin tuli outo tunne siitä, että haluavatko näytelmän tekijät sanoa, että eurooppalaisen kaupungin tuhoaminen olisi pahempi asia kuin japanilaisen.

Näytelmä yrittää tuoda isot kysymykset ihmisten tasolle ja tavoittelee inhimillistä koskettavuutta muun muassa vetämällä tarinaan mukaan Bohrin pojan hukkumisen onnettomuudessa vuonna 1934. Samalla se kuitenkin vaalii suurmieshistoriaa, missä yksi nerojen keskustelu olisi saattanut muuttaa maailman kohtalon.

Tekijät ovat projisoineet Heisenbergin hahmoon moraalisia kysymyksiä tavalla, joka ei vastaa historiallisia tapahtumia, ja näytelmän henkien väittely ennemmin piilottaa kuin valaisee ajankohtaista moraalisen ajattelun köyhyyttä. Todellisuudessa iso lahjakkuus fysiikassa tai korkea koulutustaso ei tarkoita sitä, että henkilö pohtisi eettisiä ongelmia enemmän tai oivaltavammin. Sellaiset hahmot kuten Bertrand Russell, Albert Einstein ja Joseph Rotblat muistetaan siksi, että he olivat poikkeuksia. Bohr kyllä ymmärsi ydinaseiden poliittisen ja moraalisen merkityksen varhain, ja toimi niiden saattamiseksi kansainväliseen valvontaan.

Ennemminkin 1900- ja 2000-luvun tragedia on se, missä määrin tieteilijöiltä puuttuu itsenäinen moraalinen ajattelu, ja miten heidän moraalinen pohdintansa suuntautuu yhteisön normien noudattamiseen tekojen seurausten sijaan.

Nykyään akateeminen tutkimus ja asekehitys ovat erillään. Vastaavat kysymykset ovat Suomessa tutkimuksen osalta oleellisia lähinnä valtionyritys Patrian työntekijöille, esimerkiksi kun sen puoliksi omistama yritys Nammo valmistaa aseita Israelille, joka suorittaa kansanmurhaa Gazassa.

Heisenberg ei kannattanut natseja, mutta hän katsoi tehtäväkseen hoitaa työnsä ja varmistaa Saksan tiedeyhteisön menestys politiikasta riippumatta, vaikka se tarkoitti ydinaseiden valmistamista. Tällainen moraalinen näköalattomuus näkyy Helsingin yliopiston ja muiden suomalaisten yliopistojen johdossa. Ne pitävät tehtävänään manageroida yliopistoa tieteelliseen menestykseen, muokaten moraaliset lausuntonsa tai hiljaisuutensa sellaisiksi mitä ajattelevat vallitsevan ilmapiirin vaativan.

Helsingin yliopisto esimerkiksi kieltäytyy vaatimasta tappamisen lopettamista Gazassa (toisin kuin esimerkiksi Ryhmäteatteri ja Kansallisteatteri), eikä katkaise suhteita apartheidia tukeviin israelilaisiin yliopistoihin, vaikka se Ukrainan tapauksessa osoitti, että kansainvälisen oikeuden rikkomukset ja hyökkäykset yliopistoihin muualla kuuluvat yliopiston toimipiiriin. Nyt yliopisto ryhtyy toimiin vain estääkseen kansanmurhaa vastustavia mielenilmauksia.

Ryhmäteatteri sen sijaan soveltaa moraalisia pohdintoja käytäntöön lahjoittamalla perjantain 8.12. esityksen lipputulot lyhentämättöminä Lääkärit Ilman Rajoja -järjestölle tukeakseen sen toimintaa Gazassa, missä lääkkeistä ja tarvikkeista on pulaa, sairaalat ovat äärimmilleen kuormittuneita ja potilaita tulee koko ajan lisää.

Näytöksiä on vielä 7., 8. ja 9. joulukuuta; torstain 7. päivän näytökseen on paikkoja jäljellä.

Yksi kommentti “Henkien kätkemä”

  1. Koditon sanoo:

    Joskus se, mitä jättää sanomatta, kertoo enemmän kuin se mitä sanoo.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Onnellinen unohdus

29.11.2023 klo 17.35, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kun luennoin kurssia Fysiikkaa runoilijoille, yksi asia joka vaikuttaa joskus olevan vieras luonnontieteen ulkopuolelta tuleville opiskelijoille on fysiikan historiattomuus. Tämä ei viittaa tutkimuksen tekemiseen, vaan sen sisältöön.

Fysiikassa jokainen paikkansapitävä teoria sisältää edeltäjänsä – tai tarkemmin sanottuna kaiken mikä edeltäjissä on totta. Esimerkiksi suppea suhteellisuusteoria 1900-luvun alussa korvasi 1600-luvulta periytyvän klassisen mekaniikan. Suppea suhteellisuusteoria käyttäytyy melkein kuin klassinen mekaniikka kun nopeudet ovat paljon valonnopeutta pienempiä. Suppea suhteellisuusteoria ei sisällä klassisen mekaniikan niitä osia, joihin liittyy matkailu ylivalonnopeudella. Sen sijaan se osoittaa, että ne eivät kuvaa todellisuutta, eli ne ylittävät klassisen mekaniikan pätevyysalueen.

Periaatteessa klassista mekaniikkaa tarvitsisi enää opetella, vaan fysiikan opinnot voisi aloittaa suoraan suppeasta tai yleisestä suhteellisuusteoriasta. Käytännössä näin ei tehdä, koska klassisen mekaniikan pätevyysalue on niin laaja, että on hyödyllistä tutustua sen yksinkertaisempaan rakenteeseen, joka on myös lähempänä arkijärkeämme kuin suhteellisuusteoria ja siksi helpompi oppia. Toisaalta klassista mekaniikkaa on laajennettu suhteellisuusteoriassa ja kvanttifysiikassa eri suuntiin, eikä vielä tiedetä miten langat saadaan punottua yhteen.

Historiattomuuden takia fysiikkaa ei opetella vanhoista teksteistä, esimerkiksi suhteellisuusteorian tutkijat eivät yleensä lue vaikkapa Albert Einsteinin artikkeleita. Ihmistieteissä tilanne on erilainen, koska tutkimuskohteena ei ole vain maailma, vaan myös ihmisten käsitykset siitä. Niinpä uudet teoriat täydentävät ja laajentavat mutta eivät yleensä korvaa edeltäjiään, ja kirjallisuuden kasvu on rikkautta.

Fysiikan historiattomuus liittyy siihen, että kun teoria osoittautuu vääräksi, siihen ei tarvitse enää palata. Esimerkiksi teoriat eetteristä on jo unohdettu, koska se on osoittautunut olemattomaksi ja tarpeettomaksi. Se, että fyysikot eivät juuri lue teorioiden kehittäjien tekstejä auttaa heitä kehittämään selvemmän näkökulman teorioiden sisältöön.

Esimerkiksi Isaac Newtonin muotoileman klassisen mekaniikan yksi keskeinen piirre on se, että maailma on deterministinen: nykytila määrää tulevaisuuden ja menneisyyden yksikäsitteisesti. Tällaista maailmaa verrattiin täydelliseen kellokoneistoon jo Newtonin aikaan 1600-1700-luvulla, mutta Newton itse voimakkaasti vastusti tätä teoriansa suoraviivaista seurausta.

Newton hahmotti myös, että klassisen mekaniikan mukaan Aurinkokunta ei ole stabiili, vaan planeettojen radat voivat muuttua ajan myötä. Hän ratkaisi asian toteamalla, että Jumala puuttuu asiaan ja pistää planeetat takaisin radoilleen.

Samalla tapaa Einstein vastusti ajatusta siitä, että maailmankaikkeus laajenee. Hänen vuonna 1915 löytämänsä yleisen suhteellisuusteorian ytimessä on se, miten avaruus muuttuu ajassa. Sen mukaan maailmankaikkeus yleensä joko supistuu tai laajenee. Einstein ei ollut valmis hyväksymään tätä, vaan ennemmin muutti vuonna 1917 teoriaa saadakseen aikaan ikuisen ja muuttumattoman maailmankaikkeuden.

Einsteinin malli jouti romukoppaan, kun maailmankaikkeuden laajeneminen havaittiin vuosina 1927-29. Laajenevan maailmankaikkeuden isänä tunnetuksi tullut Edwin Hubble, joka teki keskeisiä havaintoja asiasta, ei tosin koskaan ollut vakuuttunut siitä, että maailmankaikkeus todella laajenee.

Suuri yleisö muistaa kvanttimekaniikan tienraivaaja Erwin Schrödingerin ajatuskokeesta, missä kissa laatikossa on samaan aikaan elossa ja kuollut. Schrödingerin tarkoituksena oli osoittaa, että kvanttimekaniikka on puutteellinen, koska todellisuus ei voi olla niin outo. Nyt asia nähdään toisin päin, eli koe osoittaa miten outo todellisuus on.

Listaa voisi jatkaa, mutta poiminnat jo havainnollistavat sitä, että perustavanlaatuisella tavalla vääriä käsityksiä teorioista ei ole vain kehnoilla tutkijoille eivätkä ne koske vain pikkuseikkoja. Tieteenalojensa kärkihahmot ovat usein olleet väärässä itse tekemiinsä läpimurtoihin liittyvistä keskeisistä kysymyksistä.

Nämä kysymykset eivät aina ole olleet vaikeita siksi että ne olisivat niin monimutkaisia, vaan sen takia, että niihin liittyi edeltävästä teoriasta jääneitä ennakkoluuloja siitä millainen maailman pitää olla.

Uusien teorioiden löytäjillä on toinen jalka menneessä. Teorian myöhemmin omaksuvat eivät ole enää sidoksissa hylättyihin ideoihin, varsinkin jos havainnot ovat ne huonoiksi osoittaneet, joten heidän on helpompi ottaa teorian viesti vastaan.

Fyysikkojen pinnallinen käsitys alansa historiasta eristää heitä inhimillisiltä virheiltä ja lyhentää auktoriteettihahmojen arvostuksesta johtuvien ajattelun rajoitusten elinaikaa. Tekijöiden näkemyksillä ei ole merkitystä, koska tutkimuksen aiheena on luonto, ei ihmisten mielipiteet siitä.

Ankaruus teorioita kohtaan myös vapauttaa fyysikot esittämään kaikenlaisia ideoita, koska väärät voi onnellisesti unohtaa. Tämä toisinaan hämmentää ulkopuolisia, kun tiedeuutisoinnissa ei tehdä selvää eroa sen välillä, mikä on (mahdollisesti jo vääräksi tiedettyä) villiä spekulointia, mikä luotettavaa mutta epävarmaa ja mikä järkevän epäilyn tuolla puolen.

Tutkimuksen tekeminen, toisin kuin teorioiden sisältö, ei silti ole historiatonta. Menneisyys vaikuttaa siihen, millaisia tutkimuskysymyksiä valitaan ja miten niitä lähestytään. Tässä suhteessa ei kenties olisi pahitteeksi, jos tutkijat tietäisivät paremmin, millaisia harha-askelia on otettu. On hyödyllistä ainakin tietää, että suuri joukko arvostettuja tutkijoita voi ajautua umpikujaan ja puuhailla siellä vuosikymmeniä, kuten eetterin tapauksessa kävi.

Tieteen historia ei toistu samanlaisena, eikä ole yhtä tieteellistä metodia joka veisi perille, joten aiempia tapahtumia ei voi soveltaa sellaisenaan. Mutta jos muistaa vain oikean reitin, on vaikeampi ymmärtää miten eksyksiin voi joutua.

13 kommenttia “Onnellinen unohdus”

  1. Eusa sanoo:

    Einstein halusi onnellisesti unohtaa kosmologisen vakion, kun selvisi, että kaikkeus vääjäämättä kehittyy laajemmaksi.

    Aina uudelleen ja uudelleen kuitenkin nousee fyysikoitakin johdattelemaan vaistomainen ajatus taustamaisesta tilasta tai tila-ajasta, jossa tapahtuu tai tapahtumat järjestyvät koordinaatistoin.

    Onko muita yritteitä kuin silmukkakvanttigravitaatio, jossa riippumattomien vapausasteiden merkitys ja luonne pyritään nostamaan itse teoriasta? QLG:kin kyllä näyttäytyy suht kömpelönä. Eikö teoreettinen tavoite tulisi olla mallissa, joka perustelee itse vapausasteensa, topologiansa, ulottuvuutensa ja geometriansa?

    Silloin luulisi kaikkeuden kehityssuunta ja suhde rakenteisiinsa olevan sisäänrakennettuna osana toimivaa teoriaa – voisiko yleistä suhteellisuusteoriaa nähdä alustana sellaiselle?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yleinen suhteellisuusteoria on yhtä riippumaton ”taustamaisesta tilasta tai tila-ajasta” kuin silmukkakvanttigravitaatio. Kummassakin aika-avaruuden geometria määräytyy kokonaisuudessaan liikeyhtälöiden perusteella, ei ole mitään taustaa.

      Ei tästä sen enempää.

  2. Seniorikosmetologi sanoo:

    ”On hyödyllistä ainakin tietää, että suuri joukko arvostettuja tutkijoita voi ajautua umpikujaan ja puuhailla siellä vuosikymmeniä, kuten eetterin tapauksessa kävi.”

    Oma veikkaukseni on, että pimeälle aineelle ja pimeälle energialle käy ennen pitkää kuten kävi eetterille. Hiukkasfysiikan avulla en usko pystyttävän niitä selittämään. Veikkaan myös, että maailmankaikkeuden ikä todetaan väärin lasketuksi. Antaisin Nobel-palkinnon ilomielin sille, joka pystyy osoittamaan pimeän aineen ja energian sekä maailmankaikkeuden iän virhetulkinnoiksi.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jos tieteellisten tutkimushankkeiden terveyttä arvioi Imre Lakatoksen esittämällä jaolla edistyviin ja degeneroituviin tutkimusohjelmiin, pimeä aine ja tyhjön energia ovat aivat selvästi edistyviä tutkimusohjelmia. Tyhjön energiasta on enemmän epäilyjä, mutta pimeä aine on sekä teoreettisesti selkeä että havaintojen puolesta hyvin menestynyt idea.

  3. Eusa sanoo:

    Etkö Syksy olekin tutkinut rakenteiden merkitystä kaikkeuden kehityksen piirteille, jos muistan oikein? Vai meneekö onnellisen unohduksen piiriin?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä, pitkään keskeinen tutkimusaiheeni oli maailmankaikkeuden rakenteen vaikutus laajenemiseen ja valon kulkuun. Kirjoitin siitä aikoinaan Tiede-lehden blogiin, mutta sen blogit on poistettu verkosta, eikä kirjoitusta ole arkistoitu Wayback Machineenkaan.

  4. Deimos sanoo:

    Kysäistäänpä tässä nyt kun tässä oli fysiikan ja kosmologian historiaa. Luin kirjan jossa aihetta sivuttiin hyvinkin useaan otteeseen ja miten tieteelliset käsitykset muuttuivat. Itseasiassa kirja on URSAn ”Yön Pimeys”, Olbersin paradoksia käsittelevä kirja. Tiedän, jo aika vanha. Mutta kertoo hyvin selkeästi ongelman historiasta 80-90 luvun alkuun antiikin Kreikasta alkaen.Kirja on ollut TODO-listalla varmaan vuosikymmeniä mutta nyt sitten luettu.

    Heitin hatusta aloittaessani lukemaan kirjaa että tuo taivaan ”pimeys” selittyy avaruuden kaareutumisella. Kirjan mukaan sekään ei ole ratkaisu. Kirjassa esitettiin 15 ratkaisua. Suurin osa karsiutui helposti eikä selvää ratkaisua ainakaan kirjassa ollut.

    Mikä on tilanne Olbersin paradoksin suhteen nykyään? Onko sille että tähdet ja galaksit näkyvät pimeää taustaa vasten selkeää selitystä? Staattisessa ikuisessa ja äärettömässä universumissa näkisimme taivaan hohkavan tähden pinnan intesiteetillä. Yleisin esimerkki lienee puunrunko/metsä vertaus katsottaessa aukiolta mihin tahansa suuntaan jolloin näkökenttään katsoit silmien tasalla mihin tahansa vastassa on puunrunko. Jotkin runkot lähempänä toiset kauempana mutta muodosten tasaisen taustan puunrungoista.

    Kirjassa sivuttiin myös valon nopeuden mittaamisen historiaa. Huomattava tarkennus tuli Jupiterin Io-kuun pimennysten myöhästymisestä ja välillä etuaikaisuudesta. Se oli kai tarkin arvo mitä ilman pystyttiin tekemään ennen mittalaitteita. Ja myös filosofeilla oli aika vahvasti lusikkansa sopassa tuossa pimeyden arvoituksessa ennen 1900-luvun ja 1800-luvun lopun tieteen vallankumousta.

    Muusta:

    Tuohon yhteen vastaukseesi viitaten joillekin pimeä aine ja pimeä energia ovat mörköjä jostakin syystä. Sen puoleen helpottunut näkemyksestäsi. Luulen että syy oli varsin hyvä jos rakennettiin Euclid-teleskoopin kaltainen havaintoväline. Ehkä siinä ratkeaa pimeän aineen ja energian arvoitus.Pimeä aine ja energia ovat myös vahvasti esillä Sabine Hossenfelderin videokanavalla. Sopivan kansantajuisesti jopa minun tasoiselleni.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yötaivas on (näkyvillä aallonpituuksilla) pimeä koska maailmankaikkeuden ikä on äärellinen ja valonnopeus on äärellinen, joten näemme vain äärellisen matkan päähän (ja tähtiä on ollut vain äärellisen ajan).

      Joistakin Sabine Hossenfelderin kommenteista:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/mika-menee-pieleen/

      1. Deimos sanoo:

        En nyt osaa sanoa tyydyttääkö vastaus. Siis tämä olettaa todellakin että universumi on suljettu ja rajallinen. Mikä varmaan pitääkin paikkansa.

        Eräällä foorumilla on ”Multiversumi” uskovaisia. En tiedä missä heidän ajatuksissaan nämä hypoteettiset multiuniversumit sijaitsevat, kenties jokainen erillisessä kuplassaan, ulottuvuudessaan tai ties missä. Jos ne siis jakaisivat saman oletetun avaruuden joka jatkuu äärettömyyksiin on tilanne sama kuin tähtiä on äärettömyydessä loputtomiin.

        Valon nopeus on äärellinen. Meidän universumimme, havaittava ja se mitä emme koskaan pysty havaitsemaan enää, on 92 miljardia valovuotta ja säde noin 46 miljardia valovuovuotta. Valo on ehtinyt tulla kauimmasta kolkasta noin 13,4-13,6 miljardia vuotta?? Muistaakseni tai kun Webb havainnot lisääntyvät saadaan ehkä näkyviin jopa viimeinen kohde ennen ensimmäisen tähden syttymistä.

        Taustasäteily joka nyt on karkeasti 2,7 Kelvin astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella on universumin syntymän jälki. Noin 13,7-13,8 miljardia vuotta sitten. Ja sen takaa ei voida havaita mitään.

        Olen tietoinen Hossenfelderin ajatuksista ja hän ei käsittääkseni ole ammattilainen kvanttifysiikassa. Myös sen että on vastustanut pimeää ainetta. Olen katsonut myös nykyisen vallitsevan terorian ja MOND-”teorian” esityksiä hänen kanavaltaan. MOND eli Modified Newtonian Dynamics on ollut useasti hänen kanavallaan esillä. Mutta viimeisin uutinen hänen kanavallaan ei ollut enää kovin rohkaiseva MONDin kannalta. Sigma-arvo että MOND on väärä (Excludes) oli 16 ja vallitseva oikeassa sigma 19.

        Löysin kuitenkin tämän artikkelin aiheesta aika pian kuin siitä uutisoitiin, marraskuun puolen välin tietämillä. Kiitos Hossenfelderin. Ja YouTubessa on todella paljon huuhaata (Flim flam) mitä tulee kosmologiaan, fysiikkaan ja kvanttifysiikkaan. Varuillaan saa olla koska tutkijoiden suuhun on laitettu vaikka mitä potaskaa mitä he/hän eivät ole koskaan edes sanoneet tai se on irroitettu asiayhteyksistä täysin.

        Strong constraints on the gravitational law from Gaia DR3 wide binaries

        Indranil Banik, Charalambos Pittordis, Will Sutherland

        https://arxiv.org/pdf/2311.03436v1.pdf

        Offtopic: Ehkä avoimen yliopiston alkeiskurssi kosmologiasta minulle ja sitten jatko-opiskelut. Aikaa on.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Ei tähän sisälly oletusta siitä, että maailmankaikkeus olisi ”suljettu ja rajallinen”. Sen verta ohi aiheesta, että ei tästä nyt sen enempää.

          1. Deimos sanoo:

            Joo, ei mitään. Huomasin olevani väärässä.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Ei muuten ole olemassa ainuttakaan vaihtoehtoa pimeälle aineelle, joka selittäisi kaikki havainnot (saati olisi ennustanut oikein uusia). Ei siis enää ole olemassa mitään kilpailua pimeän aineen ja vaihtoehtoisten selitysten välillä. Tietysti joku voi huomenna keksiä toimivan vaihtoehdon, mutta viimeiset noin 20 vuotta siinä ei ole onnistuttu. Ennen oli toimivia vaihtoehtoja, mutta havainnot ovat osoittaneet ne vääriksi.

          3. Syksy Räsänen sanoo:

            Ei vaihtoehdoista pimeälle aineelle sen enempää, kun ei liity merkinnän aiheeseen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Muinainen ja tuleva kaarevuus

17.11.2023 klo 19.27, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Keskiviikkona John F. Donoghue Massachusettsin yliopistosta Yhdysvalloista puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologian seminaarisarjassa. Aiheena oli kvanttigravitaatio ja taaksepäin kulkeminen ajassa.

Gravitaation ja kvanttifysiikan yhdistämistä on tutkittu 1930-luvulta asti, ja aiheesta on julkaistu varmaan kymmeniä tuhansia tieteellisiä artikkeleita. Teoreettisessa fysiikassa erotellaan kaksi lähestymistapaa: bottom-up ja top-down, eli pohjalta ylös tai huipulta alas. Kvanttigravitaatiossa on käytetty molempia.

Top-down tarkoittaa sitä, että lähdetään joistakin uusista ja kattavista periaatteista, ja selvitetään, miten ne saadaan yhdistettyä tunnettuun fysiikkaan ja miten ne laajentavat sitä. Yleinen suhteellisuusteoria löydettiin tällä tavalla. Lähtökohtana oli ajatus gravitaatiosta aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymänä, ja sen täsmällisestä matemaattisesta toteutuksesta seurasi kattavat lait, joilla on selitetty valtava määrä ilmiöitä. Kvanttigravitaatiossa top-down-lähestymistavan tunnetuin edustaja on säieteoria. Siinä yritetään rakentaa kertaheitolla kaiken teoriaa käyttäen rakennuspalikoina säikeitä, eli yksiulotteisia kappaleita.

Toinen vaihtoehto on se, että edetään siitä mitä nyt tiedetään vain vähän kerrallaan, luottaen siihen, että vankka ymmärrys joka askeleella auttaa hahmottamaan paremmin, miten asiat ovat. Donoghue on kvanttigravitaation bottom-up-reitin konkari. Hän on tullut tunnetuksi tarkkojen ja huolellisten laskujen tekemisestä ja sen varmistamisesta, että kaikki on ymmärretty joka askeleella.

Yleisen suhteellisuusteorian laajentaminen on nyt vienyt hänet hieman poikkeuksellisen aiheen äärelle, pohtimaan aikamatkailua – tai tarkemmin sanottuna sitä, meneekö kaikki samaan suuntaan ajassa.

Kun yleistä suhteellisuusteoriaa yleistää kvanttiteoriaksi, niin mukaan tulee uudenlaisia vuorovaikutuksia aika-avaruuden ja aineen välille. Kyse on Murray Gell-Manin ”totalitaristiseksi periaatteeksi” nimeämästä kvanttiteorioiden piirteestä, jonka mukaan niissä esiintyy aina kaikki vuorovaikutukset jotka teorian rakenne vain sallii.

Yleisen suhteellisuusteorian rakenne määrää tarkkaan sen, miten aine ja aika-avaruus vuorovaikuttavat matalilla energioilla. Mutta kun mennään korkeisiin energioihin ja halutaan kuvata vaikkapa maailmankaikkeuden alkuhetkiä tai mustan aukon keskustaa, niin mahdollisia aika-avaruuden kaarevuuteen liittyviä vuorovaikutuksia ja niitä vastaavia uusia hiukkasia onkin paljon. Suurin osa niistä johtaa siihen, että aine ja aika-avaruus eivät ole vakaita, vaan pirstoutuvat hyvin nopeasti. Tämä on iso ongelma, koska havaitsemamme aine ja aika-avaruus ovat kohtuullisen vakaita.

Donoghue oivalsi, että katastrofaaliseen epävakauteen johtavat hiukkaset ovatkin vaarattomia jos ne kulkevat ajassa taaksepäin eivätkä eteenpäin. Ilmiö on tunnettu fysiikassa jo 1960-luvulta asti, uutta on sen käyttäminen kvanttigravitaation ongelmien ratkaisemiseen.

Donoghue nimesi tällaiset hiukkaset Merlin-moodeiksi. Nimi viittaa T.H. Whiten kirjaan Muinainen ja tuleva kuningas, missä velho Merlin kulkee eri suuntaan ajassa kuin muut: hän nuorenee kun muut vanhenevat ja muistaa tulevaisuuden.

Klassisen fysiikan mukaan voi periaatteessa matkata kumpaankin suuntaan ajassa. Esimerkiksi klassista sähkömagnetismia kuvaavilla yhtälöillä on kahdenlaisia aaltoratkaisuja: sellaisia, missä sähkömagneettiset aallot kulkevat eteenpäin ajassa, ja sellaisia, missä ne kulkevat taaksepäin ajassa. Emme ole koskaan havainnet jälkimmäisiä, kaikkien havaintojen mukaan viestit kulkevat vain yhteen aikasuuntaan. Klassinen fysiikka ei selitä miksi näin on: nämä ratkaisut vain jätetään pois laskuista, koska niitä ei ole havaittu.

Kuten Donoghue toteaa, on sopimuskysymys, kumpaan aikasuuntaan menevien viestien sanotaan kulkevan eteen- tai taaksepäin. Jos kaikki menevät samaan suuntaan, ei ole mitään vertailukohtaa. Jos osa -kuten Merlin- vanhenee eri suuntaan kuin muut, voi yhtä lailla sanoa, että Merlinin mielestä me menemme taaksepäin ajassa ja meidän mielestämme hän menee taaksepäin ajassa. Mutta kummankin mielestä joku liikkuu taaksepäin ajassa, ja on siis mahdollista vaikuttaa menneisyyteen. Tämä on pahassa ristiriidassa sekä arkikokemuksen että tarkkojen hiukkasfysiikan ja kosmologian havaintojen kanssa.

Donoghue totesi, että kvanttifysiikka ratkaisee asian. Teorian muotoilussa pitää valita yksi aikasuunta, mihin hiukkaset menevät, mikä on hyvin tunnettua. Suunnan voi periaatteessa valita eri tavalla eri hiukkasille.

Jos ajassa (meidän mielestämme!) taaksepäin menevät hiukkaset ovat hyvin lyhytikäisiä, niin että ne hajoavat nopeasti hiukkasiksi jotka kulkevat eteenpäin ajassa, niin tämä ei ehkä ole ristiriidassa havaintojen kanssa. Tällöin tulevaisuus ja menneisyys puhuvat koko ajan toisilleen, mutta vain lähiaikojen tapahtumista. Jos Merlin elää vain sekunnin murto-osan, hän ei muista tulevaisuutta pitkältä ajalta eikä ehdi kertoa siitä.

Ideaa voi testata hiukkaskiihdyttimissä, missä hiukkastörmäyksissä syntyy uusia hiukkasia. Signaalina on hiukkanen, joka liikkuu ennen törmäystä, missä se syntyy. Tällaisia jälkiä on etsittykin, mutta mitään ei ole löytynyt. Kvanttigravitaation suhteen tämä ei ole yllättävää, koska siihen liittyvien uusien hiukkasen energioiden odotetaan olevan aivan liian isoja ja elinikien lyhyitä, että niitä nähtäisiin kiihdyttimissä.

Toinen mielenkiintoinen mahdollisuus on se, että viestimisellä edestakaisin ajassa on voinut olla kiinnostavia seurauksia silloin kun maailmankaikkeus oli vielä niin nuori, että hiukkaset ehtivät kulkea taaksepäin melkein ajan alkuun asti. Kosmisesta inflaatiosta meillä on havaintoja hyvin varhaisista ajoista.

Donoghue on toistaiseksi tutkinut malleja, joissa on samoja piirteitä kuin yleisessä suhteellisuusteoriassa, mutta jotka ovat yksinkertaisempia. On kiinnostava nähdä, mitä käy kun ideaa sovelletaan monimutkaisempaan ja realistisempaan tapaukseen, ja voiko sen toteuttaa ristiriidattomasti ja kattavasti. Donoghuen työ on joka tapauksessa esimerkki siitä, miten tunnettujen asioiden läheltä voi löytyä uutuuksia. Se myös muistuttaa, että aika on ulottuvuuksista vähiten ymmärretty.

30 kommenttia “Muinainen ja tuleva kaarevuus”

  1. Martti V sanoo:

    Voitanee sanoa, että entropia määrää mikä on muutoksen suunta ja sitä vastaan käyvät tapahtumat näyttävät kulkevan ajassa taaksepäin. Varmasti epätakkuusperiaatteen mukaisesti hiukkaset värähtelee myös aikadimensiossa, mutta hyvin pieniä matkoja. Onko arviota millaisia ajallisia etäisyyksiä vastavirtaan kuljettaisiin? Vai onko idea, että kyseiset hiukkaset kulkee alituisesti taaksepäin.?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Klassinen fysiikka ei kerro, mihin suuntaan entropia kasvaa – eikä voikaan kertoa, koska teoria on täysin symmetrinen ajan suunnan vaihtamisessa. Periaatteessa myös entropia voisi jossain kasvaa yhteen aikasuuntaan ja muualla toiseen aikasuuntaan. Tällaista ei kuitenkaan havaita.

      Epämääräisyysperiaate ei aiheuta matkaamista taaksepäin ajassa.

      Kvanttigravitaation Merlin-moodien hiukkasten odotetaan kulkevan ajassa taaksepäin noin 10^(-43) sekuntia ennen hajoamistaan.

      1. Martti V sanoo:

        Kiitos perustellusta vastauksesta. Tarkennuksena edelliseen, etten puhunut ajan suunnasta vaan muutoksen suunnasta, jonka entropia määrää. Totta, sillä ei ole yhteyttä fysikaaliseen aikaan. Suhteellisuusteorissa aika on yksi lisäulottuvuus, kun taas yleisesti aikaa käytetään muutoksen mittaamiseen. Nämä ajan käsitteet välillisesti liittyvät toisiinsa, mutta ovat eri asioita ja aiheuttaa yleistä hämmennystä. Filosofisempana kysymyksenä onko aikaa ilman muutosta?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Totta, nämä ajan kaksi roolia menevät joskus sekaisin.

          Suhteellisuusteoriassa on aikaa ilman muutosta, koska aika on vain yksi suunta aika-avaruudessa. Samaan tapaan on olemassa avaruus, vaikka se olisi tyhjä eikä siellä tapahtuisi mitään.

  2. Miten tämä liittyy siihen vanhaan juttuun että antihiukkanen on ”sama” kuin ajassa taaksepäin kulkeva hiukkanen ja kääntäen, vai onko kyse aivan eri asiasta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hyvä kysymys! Tämä on eri asia. Se vanha juttu tarkoittaa vain sitä, että jos vaihtaa hiukkaset ja antihiukkaset, ajan suunnan ja peilaa avaruuden (eli vaihtaa oikean vasemmaksi jne.), niin fysiikan lait näyttävät samalta. Mutta antihiukkaset eivät matkaa taaksepäin ajassa.

      Merlin-moodeilla ei ole hiukkasten ja antihiukkasten eron kanssa tekemistä.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        Eli tuo CPT-symmetrian rikkoutumattomuus. Yksinään symmetrian osat eivät päde eli CP-rikko (heikon vuorovaikutuksen ilmiöissä), mutta yhdistynyt CPT (ainakin toistaiseksi) pätee.

        Inflaatio: ” että hiukkaset ehtivät kulkea taaksepäin melkein ajan alkuun asti”, voisitko avata tätä vielä hiukan enemmän? Eli toteutuuko kirjoittamasi tässä: ”Tällöin tulevaisuus ja menneisyys puhuvat koko ajan toisilleen, mutta vain lähiaikojen tapahtumista.”?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Juurikin. Jos hiukkaset matkaavat taaksepäin ajassa N sekuntia ja maailmankaikkeus on vain N sekuntia vanha, niin menneisyys ja tulevaisuus vaikuttavat toisiinsa koko ajalta.

          1. Lentotaidoton sanoo:

            Tuosta tulikin hullu ajatus mieleen. Jos hiukkaset matkaavat taaksepäin ajassa N sekuntia MUTTA maailmankaikkeus onkin vasta N/2 sekuntia vanha?

            Inflaatio: ” että hiukkaset ehtivät kulkea taaksepäin melkein ajan alkuun asti”. Entä jos ollaan niin lähellä ajan alkua että tuo parkkeerausaika jatkuukin 0-hetken (ajan alun) toiselle puolelle? Onko muistia ilman aikaa? Merlinin muisti synnyttää maailmankaikkeuden? Olisko singulariteetti kuitenkin molemmille (ehdoton) raja, eli Merlinin(kin) muisti asymptoottisesti nollaa lähestyvä?

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Tämäpä onkin mielenkiintoista. Ennen ajan alkua ei ole mahdollista mennä, mutta heti alkuun tulevaisuus tosiaan voisi jo vaikuttaa. Voisiko tämä selittää rakenteen siementen syntyä ilman inflaatiota? Tällaisia asioita pohditaan.

  3. JaniK sanoo:

    Mikä tällaisia Merlinejä synnyttää? Tuon lyhyen eliniän myötä tämä jotenkin tuo mieleen virtuaalihiukkaset. Virtuaalihiukkaset synnyttää Hawkingin säteilyn niin mites Merlinit käyttäytyisi tapahtumahorisontin tuntumassa? Näyttäisivätkö nekin tulevan ulos mustasta aukosta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hyvä kysymys. Ne vuorovaikuttavat tavallisten hiukkasten kanssa, eli tavalliset hiukkaset voivat hajota Merlin-moodeiksi, jotka sitten matkaavat taaksepäin jassa kunnes hajoavat tavallisiksi hiukkasiksi.

      Tuo kysymys mustasta aukosta onkin kiinnostava. Kyllä, Merlin-moodit tulisivat ulos mustasta aukosta.

  4. Alessandro Pelliccioni sanoo:

    Tällaista luentoja ovat tosi mieleenkiintoista. Onko ne julkisia vai vaan tutkijoille?
    Jos julkisia, mistä saisin tietoa niistä etukäteen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ne on suunnattu tutkijoille. Ilman tutkijataustaa niistä ei yleensä saisi paljoa irti.

  5. Mika Viljakainen sanoo:

    Anteeksi, jos menee ohi, mutta miten pitäisi suhtautua siihen, että suurenergisen fysiikan puolella ja välillisesti kosmologian puolella kehityskulut eivät näytä tuottavan tuloksia? (Kosmologian osalta pimeä aine ja sen löytämisen nollatulokset, muutoinhan ala etenee hienosti)

    Avoin kysymys ja eihän siihen voi vastata mitenkään järkevästi, mutta lapsuudesta alkaen olen näitä aloja arvostanut ja pidän niitä esimerkiksi materiaalifysiikkaa perustavampina, enkä kuvittele, että Sabine Hossenfelder ym. hyökkäyksessään teoreettista fysiikkaa vastaan olisi välttämättä edes jäljillä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pimeä aine on ennustanut ja yhä ennustaa havaintoja aivan erinomaisen hyvin. Sen sijaan pimeän aineen hiukkasta ei ole löytynyt – se on nähty vain gravitaation kautta. Tässä ei ole mitään kummallista, koska emme tiedä miten voimakkaasti se vuorovaikuttaa aineen kanssa. On monia pimeän aineen malleja, missä vuorovaikutus on niin heikko, että hiukkasta ei löydetäkään lähitulevaisuudessa – ja monia missä se löytyisi.

      Hiukkasfysiikassa tilanne on sikäli hieman erilainen, että LHC:n odotettiin löytävän hiukkasfysiikkaas Standardimallin tuolta puolen, mutta näin ei käynyt. Tämän merkitystä ei vielä täysin hahmoteta.

      Aiheesta täällä:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/nelja-vuosikymmenta-eramaassa/

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kylma-jalki/

      https://web.archive.org/web/20220618081433/https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/avomerta_kohti

  6. robert ekman sanoo:

    Kysyisin ajan suunnasta sen verran:

    Mikäli sekoitetaan ämpäriin kahta kaasua(ja tehdään työtä) ,entropia kasvaa – mutta eikö painovoima vähennä entropiaa ”automaattisesti” so. painavamman kaasun kasautuessa alemmaksi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei, gravitaation aiheuttama klimppiytyminen sekin kasvattaa entropiaa. Tarkemmin täällä:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/ikuisuus-vailla-lampokuolemaa/

  7. Lentotaidoton sanoo:

    Kysynpä tämänkin: Loop Quantum teoria on formuloitu ilman tausta-avaruusaikaa (Wheeler-DeWitt) jolloin vaikeutena on selittää kuinka kvantitetusta avaruudesta päästään ”sileään” aika-avaruuteen. Siinä aika tekeekin ”silmukoita”. Onko Merliinin ajalla/muistilla mitään yhteistä näiden ”silmukoiden kanssa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei, nämä Merlin-moodit ovat yksinkertaisempi juttu.

  8. Jyri T. sanoo:

    Hyvää syntymäpäivää Syksy!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos!

  9. Joksa sanoo:

    Aika on kyllä selvästikin ulottuvuuksista vähiten ymmärretty mutta onko tuo Merlin-moodi osoitettavissa nimenomaan aikamatkailuksi jos se ei voi viestiä tulevaisuudesta?

    Eikö e=mc^2 suoranaisesti kiellä aikamatkailun, massan katoaminen toiseen ajankohtaan edellyttää informaation häviämisen yhtäällä ja popsahtamisen toisaalle aika-avaruuteen valon ylittävällä nopeudella?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aikamatkailuahan se on. Aikamatkailussa energia tosiaan ei säily.

  10. Lentotaidoton sanoo:

    https://arxiv.org/pdf/2105.00898.pdf
    Tässä tuo Donoghuen 2021 esitys (jos jotakuta kiinnostaa). Vallankin summary antaa yleiskuvan hyvin.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Merlin-moodeista myös täällä:

      https://arxiv.org/abs/1908.04170

  11. Joksa sanoo:

    Olisiko sinulla mahdollisesti kirjoitelmaa aikamatkailun teorioista? Madonreikien, kosmisten säikeiden ym. osalta ihmetyttää minkä mukaan määräytyisi sen aika-avaruuden osan aika johon havainnoija näissä voisi päätyä jos havainnoijien ajankulku määräytyy ST:n mukaisesti paikallisten gravitaatio- ja nopeusero-solosuhteiden perusteella eikä avaruudella katsottaisi olevan kosmista universaalia kaikkia koskevaa yleistä ajankulkua?

  12. Joksa sanoo:

    Ajatelmia aikamatkailusta:

    Kaikkia hetkien rinnakainen olemassolo (aikatornin kerrokset) tuntuisi istuvan Newtonin absoluuttisen avaruuden näyttämölle. Kunkin ajankohdan kaikki olemassaoleva sitoutuu yhteen universaaliin samanaikaisuushetkeen t, ajan siirtymä dt on saman mittainen kaikkialla ja siirtymä aikasiivusta toiseen tapahtuisi heti kaikkialla ja viiveettömästi. Tai vaihtoehtoisesti olisi hyväksyttävä esim. taustasäteilyn ilmentämä ajankulku universaaliksi yhtenäisajaksi, ajan dualistinen olemus.

    Puhtaalla suhteellisuusteorian näyttämöllä aikamatkailun edellytykset eivät tunnu yhtä selkeiltä. Aikakoneen ilmoitus siirtymäaikeesta t+dt leviäisi ympäröivään aika-avaruuteen valon nopeudella, etäiset eri inertiaalikoordinaatistojen ja maailmanviivolen aika-avaruuspisteet eivät tunnistaisi aikakoneen ilmoittaman lähtöhetken t samanaikaisuutta eivätkä siirtymän dt mittaa.

    Se että joku yksittäinen havainnoija kuten tuo Merlin-moodin hiukkanen saattaisi tuntea aikansa suunnan kääntyneen joissakin elämänsä pyörteissä olisi aikalailla eri mittakaavan asia, mutta päätyminen johonkin aikaisempaan maailmakaikkeuden aikaversioon ei suhteellisuusteorian maisemassa oikein vaikuttaisi mahdolliselta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yleisessä suhteellisuusteoriassa ei ole erilaisia ”aikaversioita” maailmankaikkeudesta, vaan on valmis kokonainen aika-avaruus. On tosiaan epäselvää, miten suhteellisuusteorian tällainen rakennelma sopii yhteen aikamatkailun kanssa (asiaa on kyllä pohdittu), mutta yleinen suhteellisuusteoriahan ei ole lopullinen teoria aika-avaruudesta.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Viestinviejä naulavuoteella

1.11.2023 klo 15.39, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 14.11. kello 18 Kirkkonummen Komeetan tilaisuudessa Kirkkonummen pääkirjasto Fyyrin (Kirkkotori 1) Mörne-salissa otsikolla ”Valo maailmankaikkeudessa: viestinviejä naulavuoteella?”. Aiheena on valo kosmologiassa ja sen matka halki aika-avaruuden. Kerron myös omasta tutkimuksestani, jota käsittelin tässä merkinnässä. Esitelmä oli tarkoitus pitää helmikuussa, mutta se peruttiin koska sairastuin. Esitelmään on vapaa pääsy.

5 kommenttia “Viestinviejä naulavuoteella”

  1. Lentotaidoton sanoo:

    Huomasinpa tämänkin. Aika tarkkaan kymmenen vuotta sitten Syksy Räsänen aloitti kirjoittelun täällä Ursan sivuilla (vaikka toki aiemmin muualla). Omalta osaltani kiitokset Syksylle näiden vuosien mahtavasta ja osaavasta tiedeannista. Tietorikasta jatkoa! Olen itsekin, myös tällä areenalla, silloin tällön sönkötellyt joitain kommetteja/kysymyksiä. Huomasin historian ohimennen kun tänään sattuu olemaan oma synttärini.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos! Tosiaan, enpä olisikaan huomannut. Ja kiitos sinulle ja muille kommenteista, niistä on saanut monta merkinnän aihetta.

    2. Jyri T. sanoo:

      Vuolaat ja lämpimät kiitokset myös omasta puolestani!

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Kiitos kiitos. Pitäisiköhän tässä joku kakkupala ostaa.

    3. Martti V sanoo:

      Omalta osalta kiitokset mielenkiintoisista blogeista ja pahoittelut epätieteellisistä kommenteistani.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *