Kolmesataa

14.3.2019 klo 20.52, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kollegani Cyril Pitrou vieraili eilen Fysiikan tutkimuslaitoksella Helsingissä puhumassa kevyiden alkuaineiden synnystä. Tämä on ensimmäisiä tutkimuskohteita, joissa kosmologia toi yhteen yleisen suhteellisuusteorian ja hiukkasfysiikan, ja siinä on vieläkin setvimistä.

Tarina alkoi vuonna 1948, kun jatko-opiskelija Ralph Alpher ja hänen ohjaajansa George Gamow julkaisivat reilun sivun mittaisen artikkelin Origin of the Chemical Elements, Alkuaineiden alkuperä. Tunnettu jekkuilija Gamow lisäsi tekijäksi myös fyysikko Hans Bethen, jotta kirjoittajien nimet Alpher-Bethe-Gamow kuulostaisivat englanninkielisen ääntäminä kreikkalaisten aakkosten alulta, alfa-beta-gamma. Bethe ei tiettävästi pannut pahakseen, mutta Alpher ei juuri ilahtunut siitä, että heppoisin perustein mukaan tungettiin arvostettu vanhempi tutkija, jonka hän pelkäsi varjostavan hänen osuuttaan. (Usein muuten jatko-opiskelijat tekevät suurimman osan työstä, en tiedä miten tässä tapauksessa.)

Mitä fysiikkaan tulee, Alpherin ja Gamowin idea oli, että alkuaineet ovat syntyneet protonien ja neutronien törmäillessä toisiinsa varhaisen maailmankaikkeuden kuumassa hiukkaspuurossa. Kun maailmankaikkeus laajenee, aineen tiheys laskee, koska aineen määrä säilyy ja avaruuden tilavuus kasvaa. Toisin sanoen aineen tiheys on sitä isompi, mitä nuorempi maailmankaikkeus on. Vastaavasti aineen lämpötila laskee maailmankaikkeuden laajetessa, eli varhaisempina aikoina aine on kuumempaa.

Kun maailmankaikkeus on alle kahden minuutin ikäinen, protonit ja neutronit ovat vapaita. Ydinvoima yrittää tuoda niitä yhteen, mutta lämpötila on niin iso, että sidos hajoaa saman tien ja hiukkaset menevät omia teitään. Kahden minuutin iässä lämpötila putoaa alle miljardin asteen. Kun protoni ja neutroni kohtaavat ja ydinvoiman vetäminä yhtyvät deuterium-ytimeksi, lämpötila ei enää riitä niiden liiton tuhoamiseen. Deuterium voi sitten törmätä protoniin muodostaen helium-3:a ja niin edelleen.

Alpherin ja Gamowin idea oli, että kaikki alkuaineet syntyvät tällä tapaa, porras kerrallaan raskaampia kohti nousten. Koska lämpötila laskee koko ajan, ydinten muodostumiseen on kuitenkin käytössä vain lyhyt aika.

Helium-4:n muodostuminen loppuu noin viiden minuutin iässä, kun kaikki neutronit on käytetty. Raskaampia alkuaineita ei ehdi muodostua kuin vähäisiä määriä, koska maailmankaikkeudesta tulee niin kylmä että ydinreaktiot sammuvat. Cyril huomauttikin, että nobelisti Steven Weinbergin menestyskirjan Ensimmäiset kolme minuuttia nimen olisi pitänyt olla Ensimmäiset kolmesataa sekuntia.

Tuloksena on keitos, josta 76% on vedyn isotooppeja (yksinäisiä protoneita ja deuteriumia) ja 24% heliumin isotooppeja (helium-3 ja helium-4, joissa on yksi tai kaksi neutronia). Raskaampia alkuaineita syntyy vain vähän, eniten -miljardisosan verran- litium-7:ää (jossa on kolme protonia ja neljä neutronia). Raskaammat alkuaineet kehittyvät vuosimiljoonia myöhemmin tähtien fuusioreaktioissa, räjähdyksissä ja törmäyksissä.

Kevyiden alkuaineiden synty tuo yhteen yleisen suhteellisuusteorian ja hiukkasfysiikan Standardimallin kaikki vuorovaikutukset. Gravitaatio kertoo, miten maailmankaikkeus laajenee ja jäähtyy. Ydinvoima, joka on vahvan vuorovaikutuksen jäännös, vetää protoneita ja neutroneita yhteen, kun taas sähkömagneettinen vuorovaikutus työntää protoneita erilleen: näiden kahden voiman kilpailu määrää sen, millaisia ytimiä syntyy. Heikko vuorovaikutus taasen kertoo, miten ytimet hajoavat muodostuttuaan.

Kaikki nämä vuorovaikutukset on mitattu Maapallolla ja Aurinkokunnassa nykypäivänä. Ainoa tuntematon seikka on se, paljonko säteilyä (fotoneita ja neutriinoja) alkuminuuteilla on suhteessa protoneihin ja neutroneihin – eli kuinka kuuma maailmankaikkeus on. (Nykyään tämä voidaan määrittää erikseen kosmisesta mikroaaltotaustasta.) Niinpä teoria on ennustusvoimainen: tuntemattomia lukuja on yksi ja ennusteita on neljä: deuteriumin, helium-3:n, helium-4:n ja litium-7:n määrä suhteessa yksin jääneisiin protoneihin.

Kolmen ensimmäisen ytimen osalta ennustukset vastaavat havaintoja. Tämä on merkittävä saavutus: tulos osoittaa, että nykyään mittaamamme luonnonlait pätivät maailmankaikkeuden alkuminuutteina. Sittemmin luonnonlakeja on luodattu kauas ensimmäisen sekunnin perukoille kosmisen inflaation kautta, mutta kevyiden alkuaineiden synty oli ensimmäinen onnistunut katsaus maailmankaikkeuden alkuhetkiin, ja osoitti miten varhaista maailmankaikkeutta voi käyttää hiukkasfysiikan laboratoriona.

Litium-7:n kohdalla ennustus menee kuitenkin pieleen. Sitä havaitaan vain kolmannes ennustetusta määrästä. Joitakin vuosia helpoin selitys oli mittausvirheet siinä, miten voimakkaasti ytimet vuorovaikuttavat toistensa kanssa. Kun virherajat ovat kutistuneet, ero ennustuksen ja havaintojen välillä on kuitenkin vain kasvanut. Nykyään ydinfysiikka tunnetaan niin hyvin, että sitä on vaikea sorkkia pilaamatta onnistuneita ennusteita muille ytimille.

Cyril arveli, että vika piilee tähtien mallintamisessa. Litiumin määrä nimittäin mitataan vanhojen tähtien pinnalta. Jos tähdissä kiertää arveltua enemmän litiumia pinnalta keskustaan, se voi palaa siellä pois. Tähtien fysiikan asiantuntijoiden on kuitenkin ollut vaikea ymmärtää, miten kaksi kolmannesta litium-7:stä voisi tuhoutua siten, että muiden ydinten kohdalla ei tule ongelmia. Lisäksi mekanismin pitäisi toimia samalla tavalla monissa erilaisissa tähdissä, joissa näkyy suunnilleen sama määrä litium-7:ää.

Litium-ongelma voi myös olla merkki jostain Standardimallin tuonpuoleisesta fysiikasta, joka tuhoaa litiumia. On esimerkiksi ehdotettu, että on olemassa hieman pimeän aineen hiukkasta raskaampi hiukkanen, joka hajoaa pimeäksi aineeksi ja fotoniksi. Jos hajoamisessa syntyvän fotonin energia on juuri sopiva litium-7-ytimen rikkomiseen, se voi hävittää niitä juuri sopivasti. Pitää taas olla huolellinen, että samalla ei riko muita ytimiä, mutta tämä onnistuu.

Ei tiedetä mistä suunnasta ratkaisu löytyy, mutta on selvää, että vastauksen löytämiseksi pitää tuntea erilaisia fysiikan haaroja, yleisesti suhteellisuusteoriasta vanhojen tähtien rakenteeseen.

12 kommenttia “Kolmesataa”

  1. Anne Liljeström sanoo:

    Tunnettu jekkuilija! <3

    1. Kuten käytännön pila nimeltä Gamowin tekijä, joka hämää plasmafuusioihmisiä yhä !

  2. Lentotaidoton sanoo:

    ”Litium-ongelma voi myös olla merkki jostain Standardimallin tuonpuoleisesta fysiikasta, joka tuhoaa litiumia”.

    Kaikkea on kokeltu/tutkittu mutta probleema tuntuu pysyvän (neutronisieppauksetkaan CERNissä eivät tuottaneet vastausta). Voisivatko massiiviset neutriinot olla yksi ratkaisukeino?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Miten ajattelet massiivisten neutriinoiden liittyvän asiaan?

  3. Lentotaidoton sanoo:

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

    These pieces of additional physics include relaxing or removing the assumption of homogeneity, or inserting new particles such as massive neutrinos.
    The second reason for researching non-standard BBN, and largely the focus of non-standard BBN in the early 21st century, is to use BBN to place limits on unknown or speculative physics. For example, standard BBN assumes that no exotic hypothetical particles were involved in BBN. One can insert a hypothetical particle (such as a massive neutrino) and see what has to happen before BBN predicts abundances that are very different from observations. This has been done to put limits on the mass of a stable tau neutrino.

    https://arxiv.org/pdf/1412.1408.pdf

    Moreover, SUSY decays can destroy 7Li and/or produce 6Li, leading to a possible supersymmetric solution to the lithium problems noted above

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ilmeisesti tässä haetaan sitä, että steriilien neutriinoiden oskillaatio aktiivisiksi neutriinoiksi (ja toisin päin) vaikuttaisi ydinteen syntyyn. esim. muuttamalla elektronin neutriinoiden määrää. En ole törmännyt malleihin, joissa litium-ongelmaa yritettäisiin selittää tällä tavalla.

      Neutriinot ovat lakanneet vuorovaikuttamasta muun aineen kanssa jo ennen ydinten synnyn alkua. Kun neutriinoja ei enää ole käytettävissä, protonit eivät voi enää muuttua neutroneiksi, neutronit vain hajoavat protoneiksi. Niinpä aikaväli neutriinoiden irtikytkeytymisen ja deuteriumin synnyn välillä määrää sen, paljonko neutroneita on käytössä, millä on iso vaikutus siihen, millaisia ytimiä syntyy. En kuitenkaan ole kuullut, että sitä säätämällä voisi vähentää litiumin pitoisuutta kolmannekseen pilaamatta muiden ydinten tarkkaan mitattuja pitoisuuksia.

      Wikipedian fysiikka-artikkelien laatu vaihtelee, en itse käyttäisi niitä lähteenä. (Sen sijaan monien matematiikka-artikkeleiden taso vaikuttaa hyvältä.)

  4. Erkki Kolehmainen sanoo:

    NMR-spktroskopiaa vuosikymmeniä tehneenä jäin ihmettelemään, miksei synny Li-6- ja 3-H-ytimiä. Entä 9-Be?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Melkein kaikki tritium kuluu He-4:n valmistamiseen, prosesseissa H-3 + p -> He-4 ja H-3 + H-2 -> He-4 + n. Vaikka sitä jäisi aluksi yli, niin tritium hajoaa 12 vuoden puoliintumisajalla He-3:ksi.

      Litium-6:sta syntyy, mutta sitä myös hajoaa törmäyksissä, koska sen sidosenergia on pieni. Luulen että sen takia sen loppupitoisuus on pieni.

      Beryllium-7 syntyy niin myöhään, että vapaita neutroneita ei enää juuri ole Be-9:n tuottamiseksi (ja lämpötila on myös laskenut). Tuotettu Be-7 sitten hajoaa Li-7:ksi.

  5. Voisi kuvitella että riittävän suuri määrä neutriinoja olisi voinut vähän kiihdyttää vapaan neutronin betahajoamista protoniksi ja elektroniksi. Eli kun normaalisti prosessi on n->p+e+antinue, niin sama verteksi on myös nue+n->p+e. Kosmiset neutriinot ovat nykyään niin matalaenergisiä että ne eivät näy mittauksissa, joten niiden tiheyttä ei suoraan pysty mittaamaan. Varmaankin tämän on joku laskenut, että onko efektillä ollut jotain merkitystä nukleosynteesiin vai ei.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kosmisten neutriinoiden määrä vaikuttaa laajenemisnopeuteen sekä ydinten synnyn että mikroaaltotaustan aikaan. Tämä on niiden pääasiallinen vaikutus ydinten syntyyn. Niitä voi olla vain 15% tavallista enemmän, muuten laajeneminen on liian nopeaa, neutroneita on jäljellä liian paljon ja helium-4:ää syntyy liikaa.

      Tuo mainitsemasi reaktio ei enää juuri vaikuta ydinten synnyn aikaan, koska neutriinojen vuorovaikutukset ovat niin heikkoja ydinten synnyn lämpötilassa, että ne eivät juuri törmäile neutroneihin. Standardineutriinojen korjaus prosessin kulkuun on vain 1.5%. Niiden lukumäärän kasvattaminen 15%:lla on siis vain pieni korjaus pieneen korjaukseen, eikä käsittääkseni voi pudottaa litiumin osuutta kolmannekseen.

  6. Irina Armfelt sanoo:

    Eihän maailmakaikkeus voi olla olla loputon. Jossainhan on pakko olla ”reuna” tai seinä johon avaruus päättyy. Jos avaruus päättyy johonkin niin mitä sen jälkeen on? Tai jos ei pääty niin miten avaruus voi aina vain jatkua ja jatkua. Enni 6 v puolesta kysyy famu Irina

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Avaruus voi olla ääretön.

      Jos avaruus ei ole ääretön, sillä ei silti ole reunaa. Esimerkiksi pallon pinta on äärellinen, mutta sillä ei ole reunaa.

      Lisää aiheesta täällä:

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

      Ei tästä tämän enempää, kun ei liity merkinnän aiheeseen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Parempi väärässä kuin sekaisin

22.2.2019 klo 21.43, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Edellisessä merkinnässä mainitsin, että idea kosmisesta inflaatiosta syntyi hiukkasfysiikan yhtenäisteorioiden piirissä. Kyse on nimenomaisesti suurista yhtenäisteorioista, Grand Unified Theories eli GUTs. (Alkuperäiselle hengelle uskollisin suomennos lyhenteelle olisi varmaan SISU – joku keksinee sopivat sanat joista tämä saataisiin.) Ne ovat hiukkasfysiikan Standardimallin yläpuolella viimeinen askelma ennen kvanttigravitaation ja kaiken teorian tuomista mukaan kuvioihin.

Suurten yhtenäisteorioiden juuret juontavat 70-luvulle. Silloin oli saatu valmiiksi hiukkasfysiikan Standardimalli, joka kattoi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen sekä heikon ja vahvan vuorovaikutuksen. Standardimalli osoitti, että sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus ovat vain osia sähköheikosta vuorovaikutuksesta. Ne näyttävät erilaisilta, koska Higgsin kenttä antaa massan heikkoa vuorovaikutusta välittäville W– ja Z-bosoneille, mutta ei sähkömagneettista vuorovaikutusta välittäville fotoneille.

Mitä isompi massa hiukkasella on, sitä lyhyempi kantama sen välittämällä vuorovaikutuksella on. Massaa alemmilla alhaisemmilla energioilla vuorovaikutus on myös sitä heikompi, mitä isompi välittäjän massa on. Korkeilla energioilla, jotka LHC-kiihdyttimessä saavutetaan, heikko vuorovaikutus on yhtä voimakas kuin sähkömagneettinenkin. Varhaisen maailmankaikkeuden (ennen 10^(-11) sekuntia) korkeissa lämpötiloissa (yli miljoona miljardia astetta) Higgsin kenttä on sulanut eikä anna hiukkasille massoja, joten silloinkin sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus yhtyvät.

Standardimallissa vahva vuorovaikutus on kuitenkin erillinen kokonaisuus, joka on vain pultattu kiinni sähköheikkoon vuorovaikutukseen. Suurten yhtenäisteorioiden lähtökohta on yksinkertainen: entäpä jos vielä suuremmilla energioilla sähköheikko ja vahva vuorovaikutuskin yhtyvät?

Suuren yhtenäisteorian voi rakentaa samalla reseptillä kuin sähköheikon vuorovaikutuksen. Kirjoitetaan paperille sellainen vuorovaikutus, jossa on tarpeeksi monta palikkaa selittämään sekä sähköheikkoa vuorovaikutusta välittävät kolme hiukkasta että vahvaa vuorovaikutusta välittävät kahdeksan gluonia. Kun sähköheikko vuorovaikutus ja vahva vuorovaikutus yhdistetään, mukaan tulee väistämättä tulee uusia hiukkasia, jotka välittävät niitä molempia samaan aikaan. Nämä hiukkaset on nimetty mielikuvituksellisesti X– ja Y-bosoneiksi. Koska tällaisia hiukkasia ei ole havaittu, teoriaan pannaan uusi Higgsin kenttä, joka antaa niille korkean massan. Tämä rikkoo sähköheikon ja vahvan vuorovaikutuksen yhtenäisyyden ja työntää uudet hiukkaset korkeille energioille.

Koska suuren yhtenäisteorian uudet välittäjähiukkaset välittävät sekä sähköheikkoa että vahvaa vuorovaikutusta, ne eivät erottele Standardimallin hiukkasia sen mukaan, tuntevatko ne vahvan vuorovaikutuksen vaiko eivät, vaan tarttuvat kiinni kaikkiin. Standardimallissa vain kvarkit tuntevat vahvan vuorovaikutuksen, mikä takaa sen, että protoni, joka koostuu kolmesta kvarkista, on vakaa:  se koostuu kolmesta kevyimmästä kvarkista, joten sillä ei ole mitään, mihin hajota. Sen sijaan suuressa yhtenäisteoriassa kvarkit voivat muuttua elektroneiksi ja muiksi hiukkasiksi, minkä myötä protoni voi hajota. Jotta hajoamista tapahtuisi tarpeeksi harvoin, välittäjähiukkasten massan pitää olla hyvin iso, noin 10^(14) kertaa W– ja Z-bosonien massa.

Samaan korkeaan massaan päädyttiin toistakin reittiä. 1970-80-luvulla vaikutti siltä, että Standardimallin sähkömagneettisen, heikon ja vahvan vuorovaikutuksen voimakkuudet yhtyvät tällä samalla energiaskaalalla. (Vuorovaikutusten voimakkuus nimittäin riippuu energiasta.) Jos kahden riippumattoman polun päätyminen samaan paikkaan ei olisi riittänyt, niin kosmologia antoi kolmannen vihjeen siitä, että ollaan oikeilla jäljillä.

Sähköheikon ja vahvan vuorovaikutuksen eroon liittyy Higgsin kentän olomuodon muutos. 70-luvulla Tom Kibble hahmotti, että siinä syntyy kosmisia säikeitä ja muita virheitä Higgsin kentässä, hieman kuin veden jäätyessä. Näiden kosmisten säikeiden ehdotettiin sekoittavan maailmankaikkeuden ainetta ja synnyttävän siten rakenteen siemenet. Säikeiden vispaamien epätasaisuuksien koko riippuu niiden jännityksestä, mikä liittyy suoraan uusien välittäjähiukkasten massaan. Protonien hajoamisesta ja vuorovaikutusten yhdistymisesta päätelty energia antoi juuri oikean suuruuden, joka sopi havaintoihin.

Kolme aivan erilaista argumenttia johtivat samaan kauniiseen tuloksen. Sääli vain, että ne olivat kaikki väärin.

Ensinnäkin, protonin hajoamista ei ole nähty. Koska suuren yhtenäisteorian vuorovaikutus on heikko, protonin hajoaminen on harvinaista. Tämän ongelman voi ratkaista tarkkailemalla montaa protonia. Japanilainen koe Kamiokande tarttui haasteeseen. Vuoren sisälle Kamiokan kaivokseen rakennettiin vuosina 1982-83 kolmen miljoonan litran vesisäiliö, jonka reunat vuorattiin valoa havaitsevilla laitteilla. Protonin hajoamisesta seuraa valonvälähdys, ja tankissa oli noin 10^(33) protonia. Sitten tarvitsi vain odottaa.

Sen enempää Kamiokande kuin sen vuonna 1996 viisitoista kertaa isommaksi laajennettu versio Super-Kamiokande eivät nähneet yhdenkään protonin hajoavan. Tästä tiedetään, että protonin elinikä on vähintään 10^(33) vuotta. Tämä on satatuhatta miljardia miljardia kertaa maailmankaikkeuden ikä. Protonin ikää voi kasvattaa nostamalla sitä hajottavan välittäjähiukkasen massaa, mutta ei mielin määrin. Yksinkertaisimmassa suuressa yhtenäisteoriassa oli massalle vain pieni ikkuna – mikä olikin motivaatio Kamiokandelle ja sen superversiolle. Kamiokande ja Super-Kamiokande sulkivat tämän ikkunan: yksinkertaisin suuri yhtenäisteoria ei kuvaa todellisuutta.

Toisekseen, mitä vuorovaikutusten yhtymiseen tulee, tarkemmat mittaukset ovat osoittaneet, että Standardimallissa niiden voimakkuudet eivät kohtaakaan odotetulla yhtenäisteorian energialla, tai itse asiassa missään. Tämä ei ole ratkaiseva muutos, koska yhtenäisteoriassa vuorovaikutukset voivat kehittyä eri tavalla kuin Standardimallissa jo ennen yhtymistään, mutta murentaa motivaatiota.

Kolmannekseen, 90-luvun havainnot kosmisesta mikroaaltotaustasta osoittivat, että inflaation ennustukset rakenteen siemenistä pitävät paikkansa ja kosmisten säikeiden ennustukset eivät pidä paikkaansa.

Havainnot sulkevat pois vain suurten yhtenäisteorioiden yksinkertaisimmat versiot, mikään ei estä rakentamasta monimutkaisempia teorioita. Vaatimuksena on vain se, että yhtenäisvuorovaikutus pitää sisällään sähköheikon ja vahvan vuorovaikutuksen. Yksinkertaisinta on ottaa sellainen vuorovaikutus, joka lisää mahdollisimman vähän uusia hiukkasia. Ei kuitenkaan ole mitään rajaa sille, miten monimutkaisen elämästään voi tehdä, ja sama pätee teorioihin: vuorovaikutuksia lisäämällä voi työntää protonin elinikää korkeammalle. Apuun on otettu myös supersymmetria, joka sopivasti sovellettuna auttaa estämään protonin hajoamista.

Epäonnistumiselle voi keksiä monia selityksiä, mutta harvoin ne ovat yhtä vakuuttavia kuin onnistuminen. Todisteiden puute sai tutkijat arvioimaan suuria yhtenäisteorioita kriittisemmin. Alusta asti oli hankala ymmärtää, miksi X– ja Y-bosonien massa on niin valtavan paljon isompi kuin W– ja Z-bosonien massa.

Yhtenäisteoriassa kaikki välittäjähiukkaset käyttäytyvät korkeilla energioilla samalla tavalla, ja ero tulee niiden erilaisesta kytkennästä Higgsin kenttiin. Standardimallin Higgs antaa pienen massan, uusi Higgs ison. Mutta miksi? Yhtenäisteoriassa nimittäin molemmat Higgsit ovat aluksi osa samaa kokonaisuutta, yhtenäistä Higgsin kenttää. Teorian matemaattinen rakenne ei kiellä sitä, että Higgsin eri osat käyttäytyvät eri tavalla, mutta se on vähintäänkin teorian hengen vastaista – sanalla sanoen rumaa. Ottaen huomioon, että yksi tärkeimpiä motivaatioita suurille yhtenäisteorioille oli samanlaisen estetiikan seuraaminen, joka oli vienyt voittoon Standardimallin kanssa, esteettiset ongelmat ovat vakava asia.

Mutta vaikka osoittautuisi, että suurta yhtenäisteoriaa ei ole, olisi yksisilmäistä tuomita sen tutkiminen harhapoluksi.

Kuten kosmiset säikeet, inflaatio kehittyi suurten yhtenäisteorioiden kehdossa. Alun perin yksi inflaation motivaatio oli sen selittäminen, miksi suuren yhtenäisteorian olomuodon muutoksissa syntyviä virheitä Higgsin kentässä (kosmisia säikeitä ja muita) ei näy. Inflaation haluttiin pyyhkivän ne pois, ja suurin osa varhaisista inflaatiomalleista perustui suuren yhtenäisteorian olomuodon muutokseen. Sittemmin nämä rakennustelineet on voitu purkaa, eikä inflaatio kaipaa suurta yhtenäisteoriaa. Kiinnittyminen yhtenäisteorian ideaan saattoi kyllä vaikuttaa siihen, että kesti 27 vuotta huomata, että Standardimallin Higgskin voi olla vastuussa inflaatiosta: katse oli suunnattu liian korkealle.

Mitä kokeelliseen puoleen tulee, Super-Kamiokande ei nähnyt protonin hajoamista, mutta se havaitsi neutriinojen muuttumisen toisikseen. Löytö oli ensimmäinen varma merkki Standardimallin tuonpuoleisesta fysiikasta, ja siitä myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 2015. Super-Kamiokandesta on ollut muutakin hyötyä (pieni esimerkki: se on rajoittanut heksakvarkkien mahdollisuutta) ja samaan vuorenalaiseen laboratorioon on rakennettu myös gravitaatioaaltokoe KAGRA.

Tutkimuksen polut ovat harvoin suoria. Suurten yhtenäisteorioiden tapaus osoittaa, että selvältä vaikuttavat vihjeet voivat viedä suohon. Mutta siitä näkee myös sen, miten väärät ideat voivat ohjata tärkeisiin löytöihin, kun ne keskittävät ajattelua hedelmälliseen suuntaan. Prototieteilijä Francis Baconin sanoin, ”totuus kehkeytyy ennemmin virheestä kuin sekasorrosta”.

15 kommenttia “Parempi väärässä kuin sekaisin”

  1. Eusa sanoo:

    ”vuorenalaisessa” jäänyt inessiiviin.

    SISU = Standardimallin Itujen Suuri Uute. 🙂

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, korjasin.

  2. Anekdootti suuresta yhtenäisteemasta. Kun olin jatko-opiskelijana 1990-luvun alussa, EISCAT-tutkan data-analyysiin olivat jotkut kehittäneet kasan matlab-skriptejä, mikä uskokaa tai älkää oli silloin uusi kova juttu. Ohjelmistolle he antoivat nimen GUISDAP, Grand Unified Incoherent Scatter Data Analysis Program. Muutamia vuosia myöhemmin tein MHD-simulaatiota, ja vitsin vuoksi annoin koodille nimeksi GUMICS, Grand Unified Magnetosphere-Ionosphere Coupling Simulation. GUMICS on käytössä edelleen, ja siitä tulikin mieleeni että pitäisi nykiä osastopäällikköä hihasta että hän ehtisi paneutua sen lisenssiasiaan, jotta eräs HY:n ryhmäkin saisi siitä hyötyä omaan sovellukseensa. Taitaa olla luonnonlaki että suuret yhtenäisasiat lopulta hajoavat ja murenevat byrokratiaksi.

  3. Onko positronin ja protonin varauksien tarkalle yhtäläisyydelle muita selityksiä kuin GUT?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      GUTteja tosiaan joskus mainostetaan sillä, että ne sitovat kvarkkien ja leptonien varaukset yhteen.

      Tämä on kuitenkin totta jo Standardimallissa. Anomalioiden puute asettaa ehtoja sähkövarauksille, ne eivät voi olla mielivaltaisia.

  4. Cargo sanoo:

    Kumpihan on vaikeampaa: kehittää toimiva GUT vaiko toimiva ilmastomalli?

    Median hysterisoima ilmastoahdistus takaa tutkimusrahoituksen kestävyyden perseelleen menevälle pelottelulle, mutta mikä onkaan teoreettisen fysiikan tutkimusrahoituksen tulevaisuus, jos siis mitään toimivaa ei pikkuhiljaa ala löytymään?

    Peukalot kääntyvät alaspäin ja työhuoneet luovutetaan esim. sukupuolentutkijoille 🙁

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Nämä ovat aivan erilaisia kysymyksiä.

      Suuressa yhtenäisteoriassa on kyse siitä, onko todellisuudessa olemassa sellaista fysiikkaa, jota se kuvaa, eli perustavanlaatuisten lakien löytämisestä.

      Ilmaston ja ilmastonmuutoksen mallintamisessa on kyse tunnetun fysiikan soveltamisesta monimutkaiseen systeemiin riittävän tarkasti.

      Onneksi ilmastotutkijoiden vuosikymmeniä esitetyt varoitukset otetaan viimein julkisuudessa todesta, ilmastonmuutos kun on eräs suurimpia ihmiskuntaa vastassa olevia uhkia.

      Mitä suurten yhtenäisteorioiden tutkimisen hedelmällisyyteen tulee, kuten merkinnässä kirjoitin, niistä kumpusi inflaatio, joka on ennustanut havaintoja erittäin onnistuneesti.

  5. Standardimallin 18-26 parametrista (https://spinor.info/weblog/?p=6355) suurin osa liittyy generaatioiden heikkoon kytkentään, ja vain yksi parametri liittyy vahvaan vuorovaikutukseen, eli sen kytkentävoimakkuus g3. Onko yritetty sellaisia sähköheikon teorian yleistyksiä jotka pyrkisivät selittämään generaatioiden lukumäärän ja niiden heikot kytkennät, mutta jättävät vahvan vuorovaikutuksen teorian ulkopuolelle? Motivaationa siis olisi parametrien vähentämisen ekonomia.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei parametreja noin voi laskea. Suurin osa parametreista liittyy massoihin ja kvarkkien sekoittumiseen. Heikkon vuorovaikutuksen kytkentään liittyy kaksi parametria, vahvaan yksi.

      En tiedä, onko mitään malleja, missä tutkittaisiin sähköheikkoa vuorovaikutusta ilman vahvaa ja samalla sukupolvien määrää – luultavasti, kaikenlaista kun on tehty.

      1. Kyllä, mutta tarkoitin siis liittää ne sekoitusparametrit sähköheikkoon, koska se toinen vaihtoehto (vahva vuorovaikutus) ei kytke sukupolvia toisiinsa.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Onhan se niinkin. (Sähköheikko vuorovaikutushan on siis konsistentti minkä tahansa sukupolvien määrän kanssa, sille ei ole mitään teoreettista rajoitusta.)

  6. Lentotaidoton sanoo:

    Mehän tiedämme yhden standarditeorian suuren vaikeuden. Se ei selitä baryonigeneesiä, eli miksi ainetta on enemmän kuin antiainetta. Tai selittää mutta heikosti. Esim kokeissa CP rikko sähköheikkovoimassa up to 13% (voi olla nykyään jo isompikin). Myös kromodynamiikassa tulisi olla vastaava CP violaatio, sitä ei kuitenkaan ole nähty (vahva CP-ongelma).

    Saharovin ehdot: baryoniluvun muuttuminen, CR ja CPR symmetrian rikkoutuminen ja poikkeama termisestä tasapainosta. Kun standarditeoria selittää nämä vain heikosti, niin aikoinaan toivo laitettiin näiden superraskaiden X ja Y bosonien hajoamiseen ja siten baryoni- ja leptonilukujen muuttumiseen.

    Toisaalta kysymysmerkki on miksi nykyisen Higgsin kentän arvo on mitätön vaadittuihin muiden Higgsin kenttien arvoon 10^16 GeV, eli hierarkiaongelma. Voitko valaista näitä lisää?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tässä onkin useita asioita.

      Hierarkiaongelma on suurten yhtenäisteorioiden aiheuttama ongelma. Suosituin yritys sen ratkaisemiseen on supersymmetria, joka rajaa Higgsin massaan tulevan korjauksen supersymmetrian rikkoutumisskaalaan. Tämä ei kuitenkaan selitä sitä, miksi alun perin teoriassa on kaksi eri skaalaa eri Higgseille.

      Baryogeneesiin on tosiaan suurissa yhtenäisteorioissa paremmat ainekset. (Itse asiassa Standardimallissakin sähköheikkoa skaalaa korkeammilla lämpötiloilla baryoniluku ei säily, kaksi muuta ehtoa vain valitettavasti eivät toteudu tarpeeksi vahvasti.)

  7. Hannu Piesanen sanoo:

    SISU = SamperinIsoSepustusUniversumista

  8. Lentotaidoton sanoo:

    SISU = SotemainenInnokkuusSorsiaUudistuksia

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Ylös pohjalta

14.2.2019 klo 19.19, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Merkinnässä Alas huipulta kirjoitin fysiikan teorioiden kehityksestä kohti matemaattisesti hienostuneempia korkeuksia. Hiukkasfysiikassa on kuitenkin kaksi lähestymistapaa teorioihin: top-down ja bottom-up. Edellisessä kasataan hyvin yleinen teoria matemaattisista ja esteettisistä periaatteista lähtien ja katsotaan, millaisia seurauksia sillä on. Jälkimmäisessä lähdetään tunnettujen asioiden tienoilta, yritetään ratkaista rajattuja ongelmia ja edetään askel kerrallaan.

Tunnetuin esimerkki onnistuneesta huipulta löytyneestä teoriasta on yleinen suhteellisuusteoria. Havainnoilla oli sen muotoilussa vain vähäinen rooli, sen sijaan Albert Einstein, David Hilbert, Michele Besso ja Marcel Grossmann perustivat työnsä filosofisiin ja matemaattisiin pohdintoihin. Yleistä suhteellisuusteoriaa on testattu tarkkaan, ja se on yli sadan vuoden ajan ennustanut tarkasti ilmiöitä, joista ei sitä kehitettäessä ollut vielä aavistustakaan, GPS-satelliittien liikkeistä maailmankaikkeuden laajenemiseen ja mustien aukkojen törmäyksistä syntyviin gravitaatioaaltoihin. Einsteinin ja Hilbertin vuonna 1915 esittämästä yleisen suhteellisuusteorian muotoilusta ei ole tarvinnut yli sadan vuoden aikana muuttaa piiruakaan – ellei sitten kiihtyvään laajenemiseen liittyvän kosmologisen vakion osalta.

Tämä on poikkeuksellista. Kosminen inflaatio tarjoaa tyypillisemmän esimerkin teorioiden kehityksestä. Sen lähtökohtana oli yksinkertainen ongelma: miksi maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta joka suunnassa? Koska valo kulkee äärellisellä nopeudella ja maailmankaikkeus on äärellisen ikäinen, vaikuttaisi siltä, että kaukana toisistaan olevat alueet eivät ole ehtineet olla kosketuksissa. Miten ne siis tietävät olla samanlaisia?

Ongelmaa yritettiin 1960-luvulta lähtien ratkaista yleisen suhteellisuusteorian parissa niin kutsutulla Mixmaster-mallilla (suomeksi siis tehosekoittimella), jossa eri alueet sekoittuvat varhaisina aikoina. Nämä yritykset eivät johtaneet tyydyttävään selitykseen, ja vastaus löytyi eri suunnasta.

Vuonna 1980 Aleksei Starobinsky esitti, että kvanttifysiikan korjaukset yleiseen suhteellisuusteoriaan johtavat kiihtyvään laajenemiseen varhaisina aikoina. Starobinsky ei yhdistänyt malliaan kysymykseen sitä, miksi maailmankaikkeus näyttää samalta kaikkialla. Mutta heti samana vuonna Demosthenes Kazanas selitti, miten kiihtyvä laajeneminen voisi ratkaista ongelman.

Kazanas esitti, että jossain hiukkasfysiikan yhtenäisteoriassa on Higgsin kentän kaltainen kenttä, jonka tyhjiön energiaan liittyvä gravitaatio on hylkivää. Tämä saa aikaan kiihtyvän laajenemisen ja avaruuden osat työntyvät pois toisistaan niin nopeasti, että valo ei ehdi kulkea niiden välillä. Tällä tapaa pieni tasainen alue, jonka kaikki osat ovat aluksi kosketuksissa toisiinsa, pullistuu näkemäksemme maailmankaikkeudeksi.

Kazanasin työ unohtui vuosikymmeniksi – en tiedä miksi. Vieläkin inflaation isänä mainitaan usein Alan Guth, joka on pokannut siitä palkintojakin. Guthin artikkeli ilmestyi vuonna 1981, ja sen perusidea oli sama, minkä Kazanas oli jo esittänyt, vaikka Guthin käsittely olikin laajempi ja selkeämpi. Guth myös otti käyttöön termin inflaatio. Vuonna 1981 myös Katsuhiko Sato esitti saman idean Guthista riippumattomasti.

Joka tapauksessa osoittautui, että Kazanasin, Guthin ja Saton malli ei sellaisenaan sovi havaintoihin. Siinä varhaiset pienet alueet paisuvat kuin saippuakuplat, jotka inflaation loputtua törmäävät toisiinsa. Näiden törmäysten takia taivas näyttäisi enemmän vaahtomaiselta kuin tasaiselta. Mutta pian hahmotettiin, että laajeneminen on helppo saada kiihtymään hiukkasfysiikan kentillä muutenkin kuin tyhjön energiaa käyttämällä. Se onnistuu jopa Standardimallin Higgsillä, ilman tarvetta yhtenäisteorialle tai uusille kentille.

Tehosekoittimien kanssa puuhastelleet yleisen suhteellisuusteorian asiantuntijat eivät olleet hahmottaneet mahdollisuutta ongelman ratkaisemiseen kiihtyvällä laajenemisella. Idea ei lopulta ole monimutkainen, mutta monet suhteellisuusteoreetikot olivat omaksuneet sen ajatuksen, että aineella ei yksinkertaisesti voi olla sellaisia ominaisuuksia, jotka johtavat kiihtyvään laajenemiseen. Tarvittiin hiukkasfyysikoita toteamaan, että tunnettujen kenttien ominaisuudet itse asiassa ovat juuri sellaisia.

Jotkut suhteellisuusteoreetikot vastustivat inflaatiota vielä pitkään. Tämä on sinänsä huvittavaa, että inflaatio oli yksi hedelmällisimpiä asioita, mitä yleisen suhteellisuusteorian kentällä oli tapahtunut vuosikymmeniin. Inflaation vierastaminen johtui samasta syystä kuin sen hedelmällisyys: idea ylitti tieteenalan rajat tuomalla uusia ideoita hiukkasfysiikasta.

Lähes heti hahmotettiin, että inflaatio ei selitä vain sitä, miksi maailmankaikkeus näyttää suunnilleen samalta kaikkialla, vaan myös sen, mistä pienet erot johtuvat. Viatcheslav Mukhanov ja Gennady Chibisov laskivat vuonna 1981 Starobinskyn mallin puitteissa, miten kvanttivärähtelyt synnyttävät tyhjästä epätasaisuuksia, jotka voivat olla kaiken rakenteen siemeniä.

Näitä värähtelyjä tapahtuu niin aineessa kuin aika-avaruudessa, eli inflaatio yhdistää kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian. Inflaatio onkin ensimmäinen fysiikan alue, missä on tehty ennusteita kvanttigravitaatiosta ja onnistuneesti verrattu niitä havaintoihin. Koska alhaalta ylös lähdettäessä ei ole yleistä periaatetta, joka määräisi yksityiskohdat, on kuitenkin satoja erilaisia inflaatiomalleja.

Kunnianhimoiset syviin periaatteisiin pohjaavat ehdotukset kvanttigravitaatioteorioiksi kuten säieteoria ja silmukkakvanttigravitaatio eivät sen sijaan ole (ainakaan vielä) johtaneet valmiiseen teoriaan, joka tekisi ennusteita. Kvanttigravitaation saralla vaatimattomuus on ollut hyve. Säieteoria on tosin poikinut fysiikan ulkopuolella, kun sen kautta on löydetty matemaatikkoja kiinnostavia matemaattisia rakenteita.

Standardimallin kehittäminen oli kenties hiukkasfysiikan ja kosmologian saralla viimeinen tapaus, missä hienostuneiden teoreettisten rakenteiden kehittäminen menestyi, joskin se yhdistyi teorian kasaamiseen pala palalta kasaamisen. Suuri osa fysiikasta on teorioiden rakentamista tunnettujen asioiden tiimoilla, ja pieni osa on suurten ideoiden kehittelyä. Valtaosa yrityksistä kummallakaan saralla ei johda mihinkään. Viime aikoina ylös askel kerrallaan taapertava lähestymistapa on ollut menestyneempi, mutta on mahdoton sanoa, kumpi reitti vie seuraavaksi uuden äärelle.

23 kommenttia “Ylös pohjalta”

  1. Mistä inflaatio tiesi loppua eri alueissa samaan aikaan, jotta tuloksena oli homogeeninen maailmankaikkeus? Inflaatioperiodi kaiketi koostui kymmenistä e-kertaistumisista ja lopputuloksessa kuitenkin vain sadastuhannesosan tiheyserot.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Inflaatiossa kentän potentiaalista aiheutuva voima ja maailmankaikkeudesta laajenemisesta aiheutuva kitka ovat tasapainossa, joten kiihtyvyys on suunnilleen nolla. Tämän takia kentällä ei ole muistia aiemmasta, tuleva kehitys riippuu vain sen nykyisestä arvosta. Tämä on kuin laskuvarjolla putoaisi.

      Inflaatio toisaalta pyyhkii pois klassisen fysiikan mukaiset epätasaisuudet kentän arvossa, jäljelle jää vain kvanttifluktuaatiot, jotka on tosiaan ovat 10^(-5) luokkaa.

    2. Oliko siis niin että inflaation aikana oli tilaparametrina olemassa vain inflatonikentän arvo, eli ei baryonista muttei myöskään pimeää ainetta, jotka molemmat syntyivät vasta inflatonin hajotessa hiukkasiksi? Jos näin on, niin saisiko tästä jotain rajoitteita pimeän aineen mahdollisille malleille?

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Mitä tahansa ainetta ennen inflaatiota olikin, kiihtyvä laajeneminen pian pudottaa kaikkien muiden paitsi skalaarikenttien energiatiheyden mitättömän pieneksi.

        Tosin ei tiedetä mitä ennen inflaatiota oli. Ei myös olla varmoja siitä, miten inflaatio alkoi.

      2. OK, tajusin nyt että kysymykseni oli tyhmä. Vaikka pimeän aineen tiheys onkin nykyään suurempi kuin baryonisen materian tiheys, molemmat olivat paljon pienempiä kuin kvarkki-antikvarkki-gluoniplasman tiheys inflaation loppuessa, koska melkein kaikki kvarkit ja antikvarkit annihiloivat myöhemmin toisensa, kuten myös niitä seuranneet hadronit ja leptonitkin. Eli fraasi että inflatoni hajosi standardimallin hiukkasiksi on kirjaimellisesti oikein, seassa oleva pimeä komponentti oli siihen nähden energiatiheysmielessä mitätön. (Korjaa jos tämä ei ole näin…tietysti jotain epävarmuuksia on kun ei tiedetä mitä pimeä aine on jne.)

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          No, sitähän ei tiedetä miksi hiukkasiksi inflatoni tarkalleen hajosi, koska ei tiedetä mitä kaikkia hiukkasia on olemassa, eikä niiden hajoamisketjuja.

          On mahdollista, että inflatoni hajosi enimmäkseen tuntemattomiksi hiukkasiksi tai enimmäkseen tunnetuiksi.

  2. Ilkka Seittenranta sanoo:

    Ulkopuolisena tulee ihmeteltyä sitä että että aineen ylipäätään oletetaan olevan jotain pysyvää, voisi olettaa että aineen aivan pienin rakenneosanen on mahdoton havaita ja sen olemus joudutaan päättelemään – tässä vaiheessa fyysikot joutuvat perääntymään tavasta havaita ja osoittaa jotain.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En ole varma siitä, mitä tarkoitat sillä, että aine on pysyvää. Useimmat hiukkaset ovat epästabiileja, ja stabiilitkin hiukkaset voivat tuhoutua.

      Sen mitä voi olla olemassa ja mitä voi havaita voi osoittaa vain tutkimus.

  3. Jyri T. sanoo:

    Mustan aukon säteily (Hawkingsin säteily) perustuu siihen, että musta aukko luo horisontin aika-avaruuteen. Oliko inflaation aikana vastaavaa säteilyä, kun laajeneminen synnytti samantyyppisen horisontin (tosin nurin päin)? Oliko sillä merkitystä energiatiheyden kannalta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mainio kysymys, joka menee vähän kauas, mutta yritän kuitenkin vastata lyhyesti.

      Mustan aukon horisontti on (ilman Hawkingin säteilyä) ikuinen, eli tapahtumahorisontti.

      Inflaation aikainen horisontti ei ole ikuinen (koska inflaatio loppuu) eli se ei ole tapahtumahorisontti.

      Jos nykyinen kiihtyminen jatkuu loputtomiin, kyseessä on tapahtumahorisontti, ja siihen oletettavasti liittyy Hawkingin säteilyä. (Ei ole yksimielisyyttä siitä, liittyykö ei-ikuiseen horisonttiin tällaista säteilyä.)

      Joka tapauksessa kosmisen horisontin aiheuttama säteily inflaation aikana on mitättömän pientä verrattuna inflaation aiheuttavan kentän vaikutukseen. Jos nykyinen kiihtyvä laajeneminen jatkuisi ikuisesti, näin ei välttämättä ole, vaan horisontin Hawkingin säteily saattaa lopettaa sen. Tommi Markkanen (jonka kanssa minulla on joskus ollut yhteistyötä, ei tosin tästä) on tutkinut aihetta, mutta näitä asioita ei tiedetä varmasti.

  4. Lentotaidoton sanoo:

    ”Tommi Markkanen (jonka kanssa minulla on joskus ollut yhteistyötä, ei tosin tästä) on tutkinut aihetta, mutta näitä asioita ei tiedetä varmasti.”

    Sen verran mielenkiintoista että löytyiskö jostain luettavaa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mitään populaaria esitystä siitä ei taida olla, tässä on Tommin artikkeli:

      https://arxiv.org/abs/1703.06898

  5. Onko niin että inflaatio ei varsinaisesti tarvitse mitään alkuehtoa (tiheyttä, laajenemisnopeutta…), vaan riittää kunhan Lagrange (SM+CDM mukaanlukien inflatoni-skalaarikentän potentiaalin muoto) on juuri oikein, niin tuloksena on meidän näköinen maailmankaikkeus? (Ja lambda mutta vain jos halutaan hifistellä.)

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tämä on suurin avoin kysymys inflaatiossa. Kentän pitää olla tarpeeksi tasainen, jotta inflaatio käynnistyy. Mutta hyvin epätasaisista alueista ei välttämättä ole haittaa, jos ne romahtavat mustiksi aukoiksi: kunhan inflaatio alkaa jossain osassa avaruutta, sen tilavuus kasvaa niin paljon niin nopeasti, että pian käytännöllisesti katsoen koko maailmankaikkeuden tilavuus inflatoi.

      Inflaation alkamisen ehtoja on tutkittu analyyttisesti, ja ihan viime vuosina on tehty myös tietokonesimulaatioita yleisessä suhteellisuusteoriassa, mutta asiasta ei ole täyttä selvyyttä.

    2. Jos pimeä aine on pieniä mustia aukkoja, silloin kaiketi niitä on inflaation alkaessa pitänyt ollakin todella tiheässä eli varmaan enemmistö silloisesta energiatiheydestä? Vai dilutoiko inflaatio aukot yhettömiin kuten monopolitkin vaikka niitä olisi alussa kuinka tiheässä?

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Inflaatio pyyhkii mustat aukot pois siinä missä muutkin epätasaisuudet.

        Kaikki nykymaailmankaikkeiden mustat aukot ovat syntyneet inflaation jälkeen.

  6. Jos olisi hiukkaskiihdytin jolla pääsisi tutkimaan inflaatioepookin fysiikkaa, mitä silloin näkyisi? Voisiko esimerkiksi miljoonan teraelektronivoltin raskasionitörmäyksessä syntyä baby-inflaatio joka toimisi vähän aikaa? Tulisivatko inflaation reheating-tulokset tänne meidän maailmankaikkeuteemme vai muodostaisivatko ne oman kuplansa jota ei pysty havaitsemaan? Käsittääkseni inflaatio tavallaan luo energiaa tyhjästä, mutta havaitsisimmeko mekin tuollaisessa törmäyksessä energian syntymistä tyhjästä vai menisikö se energia jonnekin piiloon meiltä?

    Kysymys on toki spekulatiivinen koska tuollaisia kiihdyttimiä ei näy ihan nurkan takana ainakaan vielä, mutta 1e9 GeV törmäysenergia on satatuhatta LHC:tä joten kyllä sellainen aurinkokuntaan hyvin mahtuisi. Katsoin energiat sivulta https://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe, jossa annetaan inflaatioperiodille 1e15..1e9 GeV.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Inflaatio ei alkaisi uudelleen. Inflaatiota ajaa koherentti kenttä, joukko inflatonihiukkasia käyttäytyy eri tavalla. (Vrt. vakiosähkökenttä ja kaasu fotoneita.)

    2. Kiitos vastauksesta. Unohdin mainita että kosmisen säteilyn energiaennätys on niinkin iso kuin 3e11 GeV, eli ilman kiihdytintäkin sellaisia törmäyksiä tapahtuu.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Oleellista on törmäyksen energia massakeskipistekoordinaatistossa, joka kosmisten säteiden törmäyksissä on korkeimmillaan samaa luokkaa kuin LHC:ssä.

  7. Jos ymmärsin oikein, inflaatio on poistanut jäljet sitä edeltäneestä menneisyydestä eikä prosessia voi tuottaa uudelleen laboratoriossa. Miten siis pitäisi edetä sen tutkimisessa?

    Analoginen dilemma on muuten elämän synnyn tutkimuksessa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Askel kerrallaan. Kosmologiset havainnot tarkentuvat koko ajan, ja niillä saadaan tarkemmin selvitettyä miten inflaatio tapahtui. On myös erilaisia teoreettisia ehdotuksia uudenlaisista jäljistä (joista osa kertoisi ajasta ennen inflaatiota) joita etsiä, ja niitä onkin etsitty. Mutta ei niistä tässä sen enempää!

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Tieteellisten lehtien tulevaisuus täällä tänään

8.2.2019 klo 14.49, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin overlay-lehteen Open Journal of Astrophysics blogitekstin tieteellisen julkaisemisen kriisistä. Kirjoitin samasta aiheesta lyhyemmän tekstin Twitterissä (helpommin luettava versio täällä). Olen kirjoittanut aiheesta suomeksi täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä; muutaman vuoden takainen puheeni asian tiimoilta löytyy täältä.

Blogitekstin ingressi on tämä:

The bad news: the scientific community can no longer afford commercial science journals.

The good news: the scientific community no longer needs commercial science journals.

The bottom line: open internet archives and overlay journals are the solution.

Lyhyesti sanottuna:

We do not need to reform the business model of scientific journal publishing, we have to abandon it.

2 kommenttia “Tieteellisten lehtien tulevaisuus täällä tänään”

  1. 7v sanoo:

    Millä tavoin kirjoituksesi on
    otettu vastaan? Äkkiä luulisi että
    rahoitus on niin keskeinen osa
    erinlaisia julkaisuja tänä päivänä
    että laatu kärsisi väistämättä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hyvin positiivisesti.

      Tieteellisten lehtien rahoituksella ei ole mitään tekemistä niissä julkaistavien artikkeleiden laadun kanssa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Alas huipulta

30.1.2019 klo 21.56, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Sain tietää, että edellisessä merkinnässä kommentoimani Ylen artikkeli antiuniversumiin liittyvästä spekulaatiosta on saanut poikkeuksellisen paljon huomiota: sillä on yli 120 000 klikkausta ja tekstistä on luettu keskimäärin 75% (miten tämä sitten onkaan arvioitu). Vastasin jatkojutussa (ilmestynee pian julkaistu täällä) lukijoiden kysymyksiin aiheen tiimoilta.

En tiedä pitäisikö jutun suosion palauttaa vai horjuttaa uskoani tiedejournalismiin, mutta se sai minut miettimään fyysikoiden suhdetta teoreettisiin kehitelmiin.

Ehdotus antimaailmankaikkeudesta lienee herättänyt mielenkiintoa suuren yleisön parissa, koska idea tuntuu hurjalta, mutta siitä on helppo saada kiinni. Tutkijat hahmottavat oman alansa teorioita eri tavalla, eikä tämä Boylen, Finnin ja Turokin spekulaatio ole teoreettisen kosmologian kannalta kovin hurja. Se on tunnetun fysiikan yksinkertainen jatke, johon ei liity uudenlaisia matemaattisia rakenteita, eikä se tarjoa entistä parempaa vastausta ongelmiin.

Ihmetyksen tuntua herättävät sen sijaan teoriat, joissa todellisuuden alta paljastuu uudenlainen matemaattinen rakenne, jossa vanha tieto asettuu uuteen valoon ja joka ratkaisee nykyisiä ongelmia. Kyse ei ole niinkään siitä, minkälaisia teorian kuvaamat ilmiöt (olivatpa ne vaikka ylimääräisiä maailmankaikkeuksia) ovat, vaan siitä, millaisia sen lait –muodot muotojen takana– ovat.

Tämä on avain siihen, miksi säieteoria (hitaan alun jälkeen) otettiin 1980-luvulla haltioituneesti vastaan. Teoriassa oli aivan uudenlainen matemaattinen rakenne. Sen ristiriidattomuus vaikutti yllättävältä, kuten myös se, että teoria tuotti uusista lähtökohdista samankaltaista fysiikkaa kuin mitä jo tunnettiin, mennen kuitenkin entistä tietoa kauemmas. Säieoria ei ole lunastanut suuria lupauksia, mutta sen arvostus on jatkunut pitkälle, vaikka onkin hiipumaan päin. (Esimerkiksi nykyään kuulee letkautuksia siitä, tutkitaanko jotain asiaa ”tosimaailmassa vai säieteoriassa”.)

Muistan miten avartavalta tuntui fysiikkaa opiskellessa tutustua ensin klassiseen mekaniikkaan  ja sähkömagnetismiin, sitten kvanttimekaniikkaan, suppeaan ja yleiseen suhteellisuusteoriaan, kvanttikenttäteoriaan, supersymmetriaan, supergravitaatioon ja lopulta säieteoriaan. Jokainen teoria rakentui edellisten pohjalle, sisälsi ne ja ylitti ne. Teorioiden lähtöoletukset osoittautuivat seurauksiksi yhä perustavanlaatuisemmista ja kauniimmista laeista. Esimerkiksi Newtonin toinen laki (kiihtyvyys on verrannollinen voimaan) seuraa yleisessä suhteellisuusteoriassa siitä, että kaikki tavat luetteloida aika-avaruuden pisteitä ovat yhtä päteviä.

Opinnot olivat kuin kiipeämistä yhä korkeammalle, kohti hienosyisempää ymmärrystä todellisuudesta. Pidemmälle kehiteltyjen teorioiden hahmottaminen vaati myös kehittyneempien matemaattisten työkalujen opettelemista. Helposti arvostaa sitä, mikä on ymmärryksen rajoilla ja mikä on vaikeaa, ja teoreettiset rakennelmat saattavat herättää ihailua siksi, että niissä käytetty matematiikka on vaativaa.

Vuoren huipulle päästyä vaikutelma voi kääntyä uskomukseksi siitä, että oma hahmotuskyky on kirkkaampi kuin niiden, jotka pelaavat karkeammalla kädellä. Hiukkasfysiikkaa läheisenä ulkopuolisena seurannut fyysikko Philip Anderson kirjoitti vuonna 2011 kirjassaan More and Different: Notes from a Thoughtful Curmudgeon, että ”kvanttikenttäteoria on magneetti häikäilemättömän loistaville, ylimielisille, elitistisille nuorille miehille”. Hän oli myös sitä mieltä, että alan on pelastanut ”narsistiselta jämähtämiseltä” vain se, että sen harjoittajat ovat usein niin älykkäitä, että heidän mielensä on avoin.

Andersonin arvio oli sikäli huonosti ajoitettu, että teoreettinen hiukkasfysiikka vaikuttaa 2000-luvulla jääneen polkemaan paikalleen. Erityisesti maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen selitykseksi hinatun multiversumi-idean suosio vaikuttaa perustuvan osittain ajatteluun, että jos me emme ole keksineet ratkaisua johonkin ongelmaan, niin ratkaisua ei ole olemassa. Ehkä aiempina vuosikymmeninä hiukkasfyysikoita ei pelastanut heidän avomielisyytensä, vaan virta koetuloksia, joka auttoi teoreettisten ideoiden seulomisessa ja muotoilemisessa.

Pitkälle menevän matematiikan omaksuminen vaatii tiettyä älykkyyttä, mutta matemaattisesti hienostuneempien mallien kanssa työskentely ei tarkoita sitä, että on fiksumpi, vain sitä, että on opetellut käyttämään erikoistuneempia työkaluja. Fysiikan kannalta on kuitenkin oleellista, mitä työkaluilla saa aikaan.

Rakastan yhä teoriaa, mutta olen hiljalleen oppinut arvostamaan myös kokeellisten fyysikoiden ja havaitsijoiden taitoja ja saavutuksia. Hiukkaskosmologian suurimmat edistysaskeleet viimeisten 30 vuoden aikana ovatkin tulleet havainnoista, eivät teoriasta. Saa nähdä kauanko tämä jatkuu, ja koska teorian seuraava kerros saadaan kuorittua esiin.

Päivitys (03/02/19): Lisätty linkki Ylen jatkojuttuun.

9 kommenttia “Alas huipulta”

  1. Muistan tuon saman avartavan ketjun, paitsi että supersymmetriaa en ymmärtänyt, joten oma ketjuni päättyi siihen. Ihmettelin ja päädyin ajattelemaan että jos tuo on totta, niin sen keksijät ovat valtavan paljon itseäni fiksumpia.

    Mutta niinhän se on että fysiikka on havaitseva tiede, ja kiihtyvästä laajenemisesta tuli juuri vähän lisää dataa, joka näyttäisi puoltavan että pimeän energian tilanyhtälö riippuisi ajasta, https://arxiv.org/abs/1811.02590 .

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Erittäin kiinnostava tulos, jos pitää paikkansa, mutta olen epäileväinen sen suhteen, miten hyvin kvasaarien etäisyydet tunnetaan (en tosin tunne heidän mainitsemaansa uutta metodiaa).

      Ja löydön tilastollinen merkitys on arvioitu epäluotettavasti. Luotettavampaa olisi verrata joko goodness-of-fittiä (parametrien määrän huomioon ottaen) verrattuna vakioon tai bayesilaista evidenceä. Fittaamalla funktioita etäisyyteen ja katsomalla paljonko ne eroavat vakiosta voi päätyä virheellisiin johtopäätöksiin, kuten on pimeän energian suhteen huomattu.

  2. aino sanoo:

    Mielenkiintoinen kirjoitus. Kiinnostaisi tietää, mikä alan tutkijalle on teoreettisessa fysiikassa haastavinta? Oppiiko esimerkiksi matematiikkaa käyttämään niin sujuvasti, ettei varsinainen laskeminen enää tunnu vaikealta? Itselläni fysiikan opiskelu jäi siihen, kun yliopistossa huomasin sen sisältävän hyvin vähän olemisen pohdiskelua ja hirveästi integroimista.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Matematiikan käyttäminen on elimellinen osa fysiikan ajatteluprosessia – osa siitä on vaikeampaa, osa helpompaa. Vähän kuin kysyisi urheilijalta, onko työhön kuuluva fyysinen harjoittelu vaikeaa.

  3. alex sanoo:

    Miksi nykyään ei luennoida susy, sugra tai edes qft kaarevassa avaruudessa? Hiukkaspuolen kursseilla käydään samat asiat joka kurssilla, mutta eri kurssikoodilla Zzzz

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hyvin erikoistuneita kursseja ei luennoida säännöllisesti, mutta Esko Keski-Vakkuri on luennoinut kaarevan avaruuden kvanttikenttäteoriaa silloin tällöin. Voisi olla paikallaan sitä taas luennoida.

      Ensi syksynä Javier Rubio luennoi inflaatioon erikoistuneen kurssi, jossa pääsee soveltamaan hiukkasfysiikkaa eri näkökulmasta – kaarevan avaruuden kvanttikenttäteoriaa siinäkin, vaikka yksinkertaisemmin kuin Keski-Vakkurin kurssilla.

  4. Jussi Suutala sanoo:

    Miten silmukkakvanttiteoriassa selitetään avaruuden laajentuminen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kysymys menee sen verta ohi merkinnän aiheesta, että ei siitä sen enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Eilispäivän rohkeutta

24.1.2019 klo 21.45, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Yle julkaisi toissaviikolla uutisen, joka oli varustettu otsikolla Hurja teoria: Alkuräjähdys synnytti myös antimateriasta koostuvan antiuniversumin, jossa aika kulkee taaksepäin. Juttu käsittelee Latham Boylen, Kieran Finnin ja Neil Turokin kahta tieteellistä artikkelia viime maaliskuulta, joissa he esittivät idean pimeän aineen hiukkasesta ja vaihtoehdon kosmiselle inflaatiolle.

Minua haastateltiin juttuun: ingressissä lukee paikkansapitävästi, että en ”liputa puolesta eikä vastaan”. Boylen ja kumpp. ehdotus on saanut paljon huomiota mediassa: Yle viittaa PhysicsWorldin artikkeliin (joka saa, ihmeellistä kyllä, vapaan tahdon sotkettua soppaan). Niinpä ajattelin kirjoittaa hieman ehdotuksen taustoista ja laittaa sen jonkinlaiseen kehykseen.

Kosminen inflaatio on menestynein selitys varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumille. Sen mukaan maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin varhaisina murto-osina avaruuden laajeneminen kiihtyi. Kiihtyvä laajeneminen teki maailmankaikkeudesta tasaisen ja selittää, miksi se näyttää samanlaiselta kaikkialla. Inflaation loputtua siitä vastuussa oleva kenttä (ehkä Higgsin kenttä) hajoaa aineeksi. Tämä selittää kaiken aineen alkuperän. Inflaation aikaiset kvanttifluktuaatiot synnyttivät kenttään epätasaisuuksia, jotka aine perii. Tämä selittää maailmankaikkeuden kaiken rakenteen alkuperän yksityiskohtaisesti.

Boyle, Finn ja Turok ehdottavat, että kosmista inflaatiota ei tapahtunut. Sen sijaan he esittävät, että samalla kun maailmankaikkeutemme syntyi, syntyi myös toinen maailmankaikkeus, jossa aika kulkee vastakkaiseen suuntaan. Jossain mielessä tämä toinen maailmankaikkeus on siis menneisyydessämme ajassa ennen alkuräjähdystä. On kuitenkin ehkä havainnollisempaa sanoa, että kyseessä on erillinen maailmankaikkeus, joka on meissä kiinni alkuräjähdyksen kohdalla ja jossa aika menee eteenpäin, koska meillä ei ole mitään tapaa saada sieltä viestejä.

Yksi syy siihen ehdotuksen saamaan huomioon on varmaankin ajan taaksepäin kulkemiseen liittyvä scifistinen ihmetyksen tuntu. Ideasta voi saada kiinni ilman erityistuntemusta, mutta samalla se herättää tuntemuksia arjen tuolta puolen. (En ole itsekään viaton mitä scifiin tulee, käytettyäni televisiosarjasta Dr Who englanninkieleen tarttunutta termiä Tardis artikkelin otsikossa, helposti arvattavin seurauksin.)

Boylen ja kumpp. ehdotuksessa on muutama puute: toisin kuin inflaatio, se ei selitä miksi avaruus näyttää samanlaiselta kaikkialla ja tasaiselta, miten kaikki aine on syntynyt ja mistä maailmankaikkeuden rakenne on peräisin. Tämä inflaation vaihtoehtona markkinoitu idea ei siis selitä mitään niitä keskeisiä asioita, jotka inflaatio selittää, ja joista monet se on ennustanut. Poikkeuksena on pimeän aineen synty, josta Boyle ja kumpp. esittävät mielenkiintoisen (ja spekulatiivisen) idean. Esityksen ennusteet liittyvätkin lähinnä pimeään aineeseen, jonka he esittävät koostuvan paljon tutkitusta ehdokkaasta, steriileistä neutriinoista.

Kyseessä ei siis ole inflaatiolle vaihtoehtoinen teoria, vaan hahmotelma, josta voidaan kenties kehittää toimiva vaihtoehto – tai sitten ei. Boyle ja Turok lupaavat palata keskeisiin kysymyksiin piakkoin. On tavallista ja ymmärrettävää, että kun esittää vaihtoehtoisen tavan tehdä jotain, ei pysty heti selittämään kaikkea yhtä perusteellisesti kuin mitä sadat tutkijat ovat vuosikymmeniä tunnettuja ideoita syynäämällä tehneet. Ideoiden kypsytteleminen tarvitsee usein aikaa.

Boylen ja kumpp. ehdotus ei kuitenkaan tule täysin puskasta. Idealla alkuräjähdyksen tuolla puolen olevasta toisesta maailmanajasta on pitkä historia. Säieteorian kehittäjiin kuuluva Gabriele Veneziano esitti vuonna 1991, että ennen alkuräjähdystä oli olemassa meidän maailmankaikkeudellemme tietyssä mielessä vastakkainen maailmankaikkeus.

Tämän pre-big bang -skenaarion mukaan maailmankaikkeus ensin romahti äärettömän kauan, kunnes romahdus pysähtyi ja maailmankaikkeus rupesi laajenemaan. Nytkähdys romahduksesta laajenemiseen on se, mitä olemme pitäneet alkuräjähdyksenä.

Pre-big bang -skenaario oli aito vaihtoehto inflaatiolle. Sen mukaan maailmankaikkeuden rakenteen siemenet syntyivät pitkän romahduksen aikana, ja se ennusti millaisia ne ovat. Valitettavasti ennuste ei vastannut 90-luvun kuluessa tehtyjä tarkkoja havaintoja kosmisesta mikroaaltotaustasta ja galaksien jakaumasta taivaalla. Esitettiin erilaisia tapoja tilanteen korjaamiseksi. (Sattumoisin ehkä oivaltavimman ehdotuksen esittivät Kari Enqvist ja hänen ohjauksessaan samaan aikaan kanssani väitöskirjaa tehnyt huonetoverini Martin Sloth.) Idean toinen heikko kohta oli kääntyminen romahduksesta laajenemiseen. Yleisessä suhteellisuusteoriassa alkuräjähdyksestä ei voi jatkaa taaksepäin: säieteoriassa se voi olla mahdollista, mutta asiaa ei saatu selitettyä tyydyttävästi.

Seuraava kehitysvaihe alkoi vuonna 2001, jolloin jatko-opiskelija Justin Khoury, säieteoreetikko Burt Ovrut ja kosmologit Paul Steinhardt ja Neil Turok esittivät uuden vaihtoehdon inflaatiolle, jonka he nimesivät stoalaisesta filosofiasta poimimallaan termillä ekpyroottiseksi skenaarioksi. (Sattumoisin tein Kari Enqvistin ja Esko Keski-Vakkurin ohjauksessa väitöskirjan tämän ehdotuksen tiimoilta.) Idea sai julkisuutta lehdistössä siinä määrin, että inflaatiota kehittänyt ja reviiriään terhakkaasti puolustava Andrei Linde lohkaisi sen olevan ”huono idea, josta pitävät vain journalistit”.

Ensin ajatuksena oli, että maailmankaikkeutemme on neliulotteinen siivu korkeampiulotteisessa avaruudessa, ja alkuräjähdyksessä on kyse siitä, että se tormää toiseen siivuun. Törmäyksestä syntyvä ilotulitus synnyttää aineen, ja siivujen kuprut toimivat rakenteen siemeninä.

Mallissa ilmeni pian vikoja – inflaatioväen ohella Veneziano oli kärkkäimpänä osoittamassa erinäisiä ongelmia. Pian kehitettiin uusi versio, syklinen maailmankaikkeus, jossa ylimääräiset ulottuvuudet unohdettiin ja alkuräjähdystä edeltävä aika korvattiin romahduksella, pre-big bang -skenaarion tapaan. Romahduksen kääntäminen laajenemiseksi ja rakenteen siementen saaminen oikein vaivasivat tätäkin viritelmää, eikä se saanut merkittävää suosiota tutkijoiden keskuudessa.

Boylen ja kumpp. ehdotus ei siis ole uusi ja rohkea teoria, vaan viimeisin vedos kohta 30 vuotta vanhasta ideasta. Entiset ongelmat eivät ole menneet mihinkään, ja toistaiseksi Boyle ja kumpp. eivät ole yrittäneetkään selittää, miten maailmankaikkeudet voi yhdistää sujuvasti. Heidän tarkastelunsa ei päde alkuräjähdyksessä, jonka varassa koko idea pyörii. Inflaation yksi hyve taasen on se, että ei tarvitse välittää siitä, mitä inflaatiota ennen tapahtui.

PhysicsWorldin haastattelun mukaan Turok arvostelee inflaatiota siitä, että kuin Ptolemaioksen malli Aurinkokunnalle, se on vailla kunnon perusteita ja vaatii aina uutta säätöä sopiakseen havaintoihin. Itse asiassa inflaatio on perusteiltaan yksinkertainen idea, joka on kohta 40 vuoden ajan ennustanut havaintoja suurella menestyksellä, ja kuvaus sopii paremmin romahtavien tai aikakäännettyjen maailmankaikkeuksien eri versioihin.

Ylen juttu ei ole huono mitä tieteen esittelyyn tulee, mutta aina fyysikkojen puheita ei voi ymmärtää vain fysiikasta käsin, vaan täytyy myös tarkastella sosiologiaa. Steinhardt, joka vieläkin työskentelee syklisen mallin parissa, oli eräs ensimmäisistä inflaatiota tutkineista fyysikoista, mutta on sittemmin ruvennut esittämään kaikenlaista, ei aina aivan paikkansapitävää, arvostelua inflaatiota kohtaan omien ideoidensa pönkittämiseksi. Turok aloitti 80-luvulla inflaation vaihtoehtona esitettyjen kosmisten säikeiden parissa, ja on jatkanut oppositiossa halki vuosikymmenten.

On tervettä, että yleisesti hyväksyttyjä ideoita arvostellaan niin paljon kuin sielu sietää ja esitetään vaihtoehtoja, vaikka ne eivät täysin toimisikaan. Se, että kaikki kritiikittä toistaisivat yleisesti hyväksyttyjä ideoita olisi tieteelle vaarallisempaa kuin se, että joskus arvostellaan aiheetta. Tiedeuutisoinnin pohjalta on kuitenkin usein vaikea hahmottaa, mitä on hurjien puheiden takana.

10 kommenttia “Eilispäivän rohkeutta”

  1. Antti kangasvieri sanoo:

    Ovatko nämä mallit sukua syklisille malleille? Pikaisen maallikkopähkäilyn jälkeen isoimpana erona tuntuu olevan edellisen ”syklin” mahdollisesti ikuinen kesto.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Syklinen maailmankaikkeus on nimensä mukaisesti syklinen malli.

  2. Cargo sanoo:

    Saattaako tuo pelkän hypoteesin julkaiseminen kieliä ”akateemisesta paranoiasta”, eli pelosta että joku seminaarilla istunut Dr. Mulqvist scooppaa koko crackpot-teorian?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tuskin, enkä kutsuisi tätä ”pelkän hypoteesin julkaisemiseksi”.

  3. Theory of Everything by illusion sanoo:

    Jos verorahoitteinen YLE tekee juttuja täysin spekulatiivisestä fysiikasta, niin miksei samalla voida nostaa esiin kotimaisia tieteentekijöitä. Kysynpä vaan näin retorisesti. Ja nyt en puhu mistään tiedepalstojen anonyymeistä hörhöistä, vaan piinkovista tiedemiehistä, joilla on myös julkaisuja vyön alla, esim. vixra.org -sivustolla.

    Kunnia niille, joille se kuuluu.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllähän suomalaisistakin tieteentekijöistä kirjoitetaan.

      Spekulaatio on osa tiedettä.

      Sivustolle vixra.org laitettuja artikkeleita ei pidetä tieteellisinä julkaisuina.

  4. Markku Pörhönen sanoo:

    Mistä kyseiset tutkijat ovat tulleet ajatelmaan, että aika kulkisi päinvastaiseen suuntaan antimateriauniversumissa? Eikö meidän universumimme ajan kulkusuunta perustu kausaalilakiin, ensin syy, sitten seuraus. Toki kvanttimaailmassa ei aina tarvita syytä (esim. atomiytimen spontaani fissio). Siitä on kuitenkin matkaa kausaalilain kääntymiseen. Seuraako tuo ajan kulun suunnan muutos väistämättä mallin matemaattisesta sisällöstä vai onko se yksi vaihtoehto, jonka mallin tekijät sitten ovat valinneet malliinsa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kvanttikenttäteorian mukaan luonnonlait säilyvät samana, jos vaihtaa hiukkaset ja antihiukkaset toisikseen, peilaa avaruuden ja kääntää ajan suunnan. Artikkelin ideana on se, että toteutunut maailmankaikkeus (eivät vain luonnonlait) noudattaa kyseistä symmetriaa. Tällöin on olemassa toinen maailmankaikkeus, jossa aikasuunta on vastakkainen kuin meillä.

      Ylen jatkojutussa https://yle.fi/uutiset/3-10622794 totesin seuraavaa:

      ”Jos spekulaatio pitää paikkansa, antimaailmankaikkeuden asukkaat (jos sellaisia on) kokevat ajan kulkevan eteenpäin, kuten me. Ainakin näin luulisi – emme varmasti tiedä sitäkään, miksi koemme tässä maailmankaikkeudessa ajan kulkevan eteenpäin.”

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Täältäkin on turha etsiä seuraavaa Einsteinia

18.1.2019 klo 23.46, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun lauantaina 9.2. kello 14.15 Oulun Tieteen päivillä Oulun teatterissa samasta aiheesta kuin Helsingissäkin, eli Rohkeus ja rakenteet: miksi on turha etsiä seuraavaa Einsteinia. Jonkinlainen tiivistelmä puheesta löytyy täältä.

Puhun tästä myös keskiviikkona 10.4. kello 13.15 Mikkelin Tieteen päivillä Mikkelin lukiolla.

5 kommenttia “Täältäkin on turha etsiä seuraavaa Einsteinia”

  1. Cargo sanoo:

    No tuleeko mieleen yhtään fysiikan tekemisen yleisneroa, joka keksi itsenäisesti toimivia teorioita? Arkhimedes? Mitä enemmän olen fysiikan historiasta lukenut niin sitä enemmän alan olla sitä mieltä, että myös Einstein kuuluu samaan kategoriaan kuin Pythagoras, johon henkilöityvät monen tieteilijän saavutukset.

  2. Eusa sanoo:

    Metakeskustelu tieteilijöistä on varsin hedelmätöntä. Sama aika kannattaisi käyttää fysiikan sisältöihin.

  3. 7v sanoo:

    asiaa sivuten,

    onko eisteinin omalla kaiken teorialla
    mitään tieteellistä arvoa
    vaikka se jäikin yritykseksi?

    https://phys.org/news/2015-11-theory-stumped-einstein-dying-day.html

    https://www.youtube.com/watch?v=bPSy5vZN-go

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Siinä käytettyjä matemaattisia rakenteita on sittemmin kehitetty eteenpäin kiinnostavilla tavoilla. (Ei tosin vielä ole selvää, vastaavatko näin tehdyt teoriat todellisuutta.)

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Oudompia suuntia

16.12.2018 klo 16.32, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoittaessani hiukkasfysiikan Standardimallin tuonpuoleisesta maastosta olen usein maininnut ylimääräiset ulottuvuudet, mutta en ole tarkemmin kertonut, mistä on kyse. Paikkaan tässä tilannetta.

Vuonna 1907 matemaatikko Hermann Minkowski hahmotti, että Albert Einsteinin kaksi vuotta aiemmin valmiiksi saama suppea suhteellisuusteoria ei kuvaa vain suhteellista aikaa ja avaruutta, vaan absoluuttista neliulotteista aika-avaruutta. Tästä alkoi ulottuvuuksien tutkimus fysiikassa. Kiinnostavaa kyllä, aihetta oli käsitelty populaarikulttuurissa jo aiemmin. (Lawrence Kraussin kirja Hiding in the Mirror: The Mysterious Allure of Extra Dimensions, from Plato to String Theory and Beyond on hauska ja asiantunteva katsaus aiheeseen sekä fysiikan että populaarikulttuurin osalta.)

Fysiikkaan ylimääräiset ulottuvuudet toi suomalainen Gunnar Nordström vuonna 1914. Nordström esitti, että ulottuvuuksia on neljän sijaan viisi, eli on yksi aikasuunta ja neljä paikkasuuntaa. Nordströmin mullistava ajatus oli, että sähkömagnetismi onkin itse asiassa ylimääräisen ulottuvuuden gravitaatiota. Sen, että maailma näyttää neliulotteiselta, Nordström selitti sillä, että elämme neliulotteisella siivulla. Se, miksi me ja havaintomme ovat sidottuja tälle pinnalle, jäi tosin epäselväksi.

Nordströmin idea oli omaperäinen, ja muiden vuorovaikutusten selittämisestä ylimääräisten ulottuvuuksien gravitaation avulla tuli myöhemmin eräs tärkeimpiä yhtenäisteorioiden kehittämisen suuntia. Nordströmin malli kuitenkin unohtui, koska hän käytti omaa gravitaatioteoriaansa. Vuotta  myöhemmin, 1915, Albert Einstein ja David Hilbert saivat kiinni yleisestä suhteellisuusteoriasta, ja vuoden 1919 auringonpimennyksen aikaan nähtiin, että Aurinko taivuttaa valonsäteitä. Havainto oli sopusoinnussa yleisen suhteellisuusteorian kanssa ja ristiriidassa Nordströmin gravitaatioteorian kanssa.

Vuonna 1921 Theodor Kaluza esitti kuin uutena ideana yleisen suhteellisuusteorian puitteissa että sähkömagnetismi on viidennen ulottuvuuden ilmentymä, viittaamatta Nordströmin työhön. Kuten Nordström, Kaluza ei antanut tyydyttävää vastausta siihen, miksi maailma näyttää neliulotteiselta. Vuonna 1926 Oskar Klein tarjosi selkeän selityksen: emme näe ylimääräisiä ulottuvuuksia, koska ne ovat pieniä.

Jos käärii kaksiulotteisen arkin tiukasti rullalle, se näyttää suunnilleen viivalta, eli yksiulotteiselta. Jos vielä käärii rullan pieneksi donitsiksi, se näyttää pistemäiseltä, eli nollaulotteiselta. Klein ehdotti, että viides ulottuvuus on kääritty tällä tapaa. Tällöin sitä ei näe suoraan, ellei luotaa fysiikkaa hyvin pienessä mittakaavassa. Sen olemassaolo kuitenkin ilmenee sähkömagnetismina. Kleinin ideasta tuli suosittu, ja ylimääräisiä ulottuvuuksia sisältäviä teorioita ruvettiin kutsumaan Kaluza-Klein-teorioiksi. Nordströmin varhainen työ on muistettu vasta viime aikoina.

Ulottuvuuksia voi piilottaa miten monta tahansa, ja näkemämme vuorovaikutukset ja hiukkaset riippuvat siitä, miten ulottuvuudet on kääritty pieniksi. Yhdestä ulottuvuudesta voi saada sähkömagnetismin, kaikkien Standardimallin vuorovaikutusten selittämiseen ylimääräisten ulottuvuuksien avulla tarvitaan ylimääräisiä ulottuvuuksia seitsemän. Kaiken aineen selittäminen gravitaation ilmentyminä osoittautui tosin hankalaksi.

Merkittävä askel ylimääräisten ulottuvuuksien tutkimuksessa oli 1970-luvulla rakennetut supergravitaatioteoriat, eli gravitaatioteoriat jotka ovat supersymmetrisiä. Supersymmetria liittää yhteen aika-avaruuden ominaisuudet ja hiukkasfysiikan, mikä sitoo yhteen ulottuvuuksien lukumäärän ja hiukkassisällön: se millaisia hiukkasia on riippuu siitä, montako ulottuvuutta on olemassa, vaikka yksikään niistä ei olisi kääritty pieneksi. Osoittautui, että supergravitaatioteorioissa ulottuvuuksien lukumäärälle on yläraja. Mikä herkullisempaa, korkeinulotteisessa tapauksessa teoria on yksikäsitteinen: hiukkassisältö ja vuorovaikutukset on täysin määrätty, luonnonlaeissa ei ole valinnanvaraa. Ikävä kyllä tämä lukumäärä on yksitoista, ei neljä. Monet vaihtoehdot ylimääräisten ulottuvuuksien käärimiselle rikkovat teorian yksikäsitteisyyden.

Seuraava luku ylimääräisten ulottuvuuksien kehityksessä oli säieteoria, suosituin ehdokas kvanttigravitaatioteoriaksi ja kaiken teoriaksi. Sen lähtökohdat olivat hyvin erilaiset kuin aiempien fysiikan teorioiden. Säieteorian pioneeri Daniele Amati kuvaili 1970-luvulla säieteoriaa 2000-luvun fysiikaksi, joka oli vahingossa pudonnut 1900-luvun puolelle. Nyt 2000-luvulla, kun säieteorian tutkimus yhtenäisteoriana on juuttunut paikoilleen, tämä ei enää kuulosta yhtä hohdokkaalta.

Säieteoriassa tarkastellaan yksiulotteisia kappaleita, säikeitä, ja niiden liikkeen kattavaa 1+1-ulotteista pintaa (eli siinä on yksi paikkasuunta ja yksi aikasuunta). Hiukkaset, joista me rakennumme, ovat säikeiden värähtelyjä. Säikeiden muodostamalla pinnalla elää kenttiä, jotka vastaavat meidän näkemiämme ulottuvuuksia. Säieteorian yksinkertaisimmassa muotoilussa näiden kenttien eli ulottuvuuksien lukumäärälle on täsmällinen ennuste: kymmenen. Ylimääräiset ulottuvuudet eivät siis enää ole mahdollinen lisä, vaan välttämätön piirre.

Säieteorian ylimääräisten ulottuvuuksien ajateltiin aluksi olevan erittäin pieniä, Planckin pituuden 10^(-34) m suuruusluokkaa. Kun LHC-kiihdyttimen käynnistymisen aika lähestyi, alettiin esittää myös ideoita siitä, että ylimääräisten ulottuvuuksien koko olisi juuri tarpeeksi iso –noin 10^(-19) metriä– että ne voisi havaita LHC:ssä. Tälle ei oikeastaan ollut muuta motivaatiota kuin se, että ideaa on mahdollista testata pian. Tästä huolimatta siihen liittyvästä mahdollisuudesta, että LHC:n hiukkastörmäyksissä syntyisi mustia aukkoja, tuli tiedeuutisoinnin myötä valitettavan tunnettu.

Säieteoriassa palattiin myös Nordströmin alkuperäiseen ajatukseen siitä, että ylimääräiset ulottuvuudet ovat isoja, mutta me olemme sidottuja neliulotteiselle siivulle. Säieteoriassa onkin luontevasti hiukkasia ja vuorovaikutuksia, jotka on sidottu alempiulotteiselle siivulle, sen sijaan, että ne pääsisivät kulkemaan kaikkialla. Tätä ideaa käytettiin eräässä paljon julkisuutta saaneessa vaihtoehdossa kosmiselle inflaatiolle, ekpyroottisessa skenaariossa, jota sattumoisin tutkin väitöskirjassani. Siinä maailmankaikkeuden aine syntyy kahden neliulotteisen siivun törmäyksessä, joiden kupruista tulee rakenteen siemeniä. Eräs idean kehittäjistä, Paul Steinhardt, oli eräs ensimmäisiä inflaation parissa työskennelleitä tutkijoita, ja on sittemmin tullut tunnetuksi inflaation arvostelijana.

Ylimääräiset ulottuvuudet ovat vuosikymmeniä olleet perustavanlaatuisen teoreettisen fysiikan ytimessä, mutta ei tiedetä, kuvaavatko mitkään tuhansista siitä kirjoitetuista tieteellisistä artikkeleista todellisuutta. Mutta vaikka ylimääräisiä ulottuvuuksia ei olisi, niiden tutkiminen voi auttaa ymmärtämään, miksi ulottuvuuksia olisi vain neljä. Saatamme myös hahmottaa ajan luonnetta paremmin, ja ymmärtää miksei aikasuuntia ole enempää kuin yksi ja miksi aikaa on ylipäänsä olemassa.

16 kommenttia “Oudompia suuntia”

  1. Jernau Gurgeh sanoo:

    Onko ylimääräisissä ulottuvuuksissa aina kyse paikkasuunnasta (esim. Calabi-Yau avaruus) vai onko olemassa malleja, joissa ylimääräinen ulottuvuus olisi aikasuunnassa?

    Onko esim. Delayed choice quantum eraser -koetta yritetty selittää ylimääräisillä aikasuuntaisilla ulottuvuuksilla?

    Onko vuorovaikutuksilla kaikissa malleissa sama suunta? Johtuuko gravitaation heikkous siitä, että sitä valuu toisesta ulottuvuudesta vain vähän meidän nyt havaitsemiimme ulottuvuuksiin vai onko se siksi niin heikko, että se valuu meidän havaitsemistamme ulottuvuuksista pois piilossa oleviin ulottuvuuksiin? Onko tällaisella suunnanmuutoksella merkitystä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Sitä, mahdollisuutata, että aikaulottuvuuksia on useampia kuin yksi on kyllä tutkittu, mutta ei kovin paljon.

      En tiedä onko niillä yritetty selittää kvanttimekaniikan ominaisuuksia, niillä ei ole sen kanssa mitään ilmeistä tekemistä.

      En ymmärrä kysymystä suunnasta. Ylimääräisistä ulottuvuuksista on kirjoitetettu tuhansia artikkeleita, eri artikkeleissa on eri ideoita gravitaatiosta.

  2. Kommentti neliulotteisuudesta. Masud Chaichian opetti aikanaan että teoria voi olla siisti ja renormalisoituva vain jos sen kytkentävakio on dimensioton, ja se kuulosti uskottavalta. Katsomalla esim. mittakovariantin derivaatan kaavaa näkee että QED:n ja yleisemmin Yang-Mills -teorian kytkentävakio on dimensioton juuri neliulotteisessa aika-avaruudessa. Olen ajatellut itsekseni että tuo voisi olla jonkinlainen ”syy” (jos sellaista halutaan) sille että maailma on neliulotteinen.

    Gravitaatiovakio sen sijaan on 4-ulotteisessa tapauksessa dimensiollinen, ja kvanttigravitaatio onkin sotkuinen. Gravitaatiovakio olisi dimensioton 2-ulotteisessa tapauksessa. Olen ajatellut että tämä liittyisi siihen että säieteoria sisältää gravitaation luonnostaan. Näyttää siis kuitenkin siltä että mittakentän ja gravitaation kytkentävakioita ei saa dimensiottomiksi samanaikaisesti. Ehkä se on se maailmankaikkeuden ”suola”, minkä takia sen dynamiikka on niin rikas.

    Arvelen että tämä kommenttini on osittain mutta ei täysin järkevä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Se, ettö säieteoria sisältää gravitaation on paljon monimutkaisempi tarina. Kytkentävakioiden tarina on säieteoriassa myös monimutkaisempi, ei mennä siihen tässä.

  3. Tapsa sanoo:

    Tämä kommentti menee asian viereen, mutta osuu sen sijaan otsikon outoihin suuntiin:

    On näet aika vaikea kuvitella sitä, että katsommepa mihin suuntaan tahansa, niin näemme aina kohti alkuräjähdystä.

    Se kuitenkin tapahtui pikkiriikkisessä pisteessä. Olemme siis yhä tämän ”pisteen” sisällä – joka ikään kuin laajenee väärään suuntaan, sisäänpäin.

    Enpä usko olevani ensimmäinen maallikko, joka tätä ihmettelee. Onko olemassa järkeenkäypää selitystä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kysymykseen on vastattu tämän merkinnän kommenteissa:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sormustimen-verran/

  4. Kari sanoo:

    Jos säieteoriat menevät liian monimutkaisiksi, eikö olisi syytä kaivaa se vanha kunnon Occamin partaveitsi esiin ja leikata liiat säikeet pois?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Säieteorian suosio onkin laskenut. Mutta mikään muu ehdokas kaiken teoriaksi tai kvanttigravitaatioteoriaksi ei ole saanut yhtä paljon suosiota, eli mitään muuta ei ole pidetty yhtä lupaavana (oli tämä sitten oikein tai väärin).

      1. Lentotaidoton sanoo:

        Teoreetikoille ei tuottane tuskaa mutta maallikoille kylläkin se, että on laskesteltu säieteorian sisältävän ainakin 10^500 konsistenttia mahdollisuutta lisäulottuvuksien käpertymiselle (ja siis erilaisia mahdollisia kosmoksia), eikä tiettävästi edes säieteoreetikoilla antaa vastausta löytyisikö omamme niiden joukosta. Tämä lienee yksi suosion laskun syy (ainakin teoreetikkojen ulkopuolella).

        Toinen vaikeus lienee se, ettei säieteoria ole tuottanut mitään testattavia tuloksia (eli se ei olisi falsifioitavissa). Ehkä kuitenkin yksi, ainakin väitetty tulos olisi gravitonin ennustaminen.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tämä on vakava ongelma. Lisää aiheesta täällä:

          https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaikki-tai-ei-mitaan/

        2. Erkki Kolehmainen sanoo:

          Wikipedian mukaan pimeään aineeseen liittyy sama ongelma kuin säieteoriaan. ”that (dark matter) is a hypothesis that adds no empirical content and hence is unfalsifiable in the sense defined by Karl Popper.”

  5. Matias Slavov sanoo:

    Haluaisin kysyä suhteellisuusteorian neliulotteisesta aika-avaruudesta. Sitä luonnehditaan absoluuttiseksi. Tarkoittaako tämä, että se on olemassa itsessään, muusta riippumatta? Tätä Newton tarkoitti sanalla absoluuttinen (hänelle tietty aika ja avaruus olivat erillisiä ja kappaleista, niiden massoista ja liikkeistä riippumattomia).

    Toinen kysymys: ajalla on suhteellisuusteoriassa suunta? Minkowskin valokartiot yleensä piirretään niin, että aika-ulottuvuudella on suunta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Suhteellinen tarkoittaa havaitsijata riippuvaa. Absoluuttinen on sen vastakohta, eli havaitsijasta riippumaton.

      Eri havaitsijoiden avaruus on erilainen ja aika kulkee eri tavalla, mutta aika-avaruus on kaikille sama.

      Aika-avaruudessa on neljä suuntaa, joista kolme on paikkasuuntia ja yksi aikasuunta. Aikasuunta ei ole yksikäsitteinen, eri havaitsijoiden aika voi osoittaa eri suuntaan.

  6. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”kuvaavatko mitkään tuhansista siitä (ylim. ulottuvuudet) kirjoitetuista tieteellisistä artikkeleista todellisuutta.”
    Voiko artikkeli olla tieteellinen, jos sillä ei ole mitään yhtymäkohtaa todellisuuteen? Silloinhan teologialla, fysiikalla ja saduilla ei ole mitään oleellista eroa. Ensin voi kirjoittaa tieteellisiä artikkeleita kosmisesta inflaatiosta kuten Paul Steinhardt ja sitten toisen mokoman juttuja siitä, että puhuinkin pötyä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Teoreettisessa fysiikassa etsitään niitä sääntöjä, jotka kuvaavat todellisuutta. Koska kukaan ei etukäteen tiedä, mitä nämä säännöt ovat, suurin osa yrityksistä on väärin, eli ei kuvaa todellisuutta.

      Tämä ei ole epätieteellistä, vaan tieteen tekemisen ydin.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Toisen kauden kuviot

7.12.2018 klo 09.18, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Gravitaatioaaltoja tutkivat koeryhmät LIGO ja Virgo julkistivat uudet tuloksensa maanantaina. LIGOn ensimmäinen havaintokausi vuonna 2015 kesti neljä kuukautta, toinen alkoi marraskuussa 2016 ja loppui elokuussa 2017 (Virgo liittyi mukaan toisen kauden loppupuolella). Siitä pitäen laitteet ovat olleet huollettavana ja päivitettävänä.

LIGO sai gravitaatioaallon haaviin heti käynnistyttyään, ja ensimmäisen kauden aikana koe näki yhteensä kolme mustien aukkojen törmäyksessä syntynyttä aaltoa. LIGOn keskeiset toimijat Rainer Weiss, Barry C. Barish ja Kip S. Thorne palkittiin saavutuksesta viime vuonna fysiikan Nobelilla.

Toisella kaudella mustien aukkojen törmäyksissä syntyneiden gravitaatioaaltojen havaitsemisesta tuli rutiinia, niin hämmästyttävältä kuin se yhä kuulostaakin. Suurin löytö oli kahden neutronitähden törmäys, joka nähtiin gravitaatioaaltojen lisäksi gammasäteillä, röntgensäteillä ja radioaalloilla. Toiselta kaudelta jäi käteen seitsemän gravitaatioaaltoa, eli niitä näkyy suunnilleen kerran kuukaudessa –toisen kauden aalloista viisi tosin sattui saapumaan elokuussa 2017. Nyt julkistetussa analyysissä on käyty tarkemmin läpi myös ensimmäisen kauden data, ja yksi aiemmin epävarma tapaus on nostettu havainnoksi.

Uusien tapausten joukossa on raskain ja kaukaisin nähty mustien aukkojen törmäys: kolmesta viiteen miljardia vuotta sitten, ehkä ennen Auringon syntymää, yksi 30 ja toinen 50 kertaa nyky-Aurinkoa raskaampi musta aukko sulautuivat yhteen paikassa, joka on nykyään 4-8 miljardin valovuoden päässä meistä. (Etäisyys on pidempi kuin valon nopeus kertaa aika, koska maailmankaikkeus laajenee.)

Tämä oli yksi toisen kauden neljästä uudesta havainnosta, jotka julkistettiin nyt kaikki kerralla, siinä missä aiemmat havainnot on ilmoitettu yksitellen. Nyt siirrytään hiljalleen yksittäisten musta aukko -parien syynäämisestä niiden väestön tutkimiseen.

Usean systeemin tarkastelu mahdollistaa tarkemmat testit muun muassa siitä, kuinka paljon mustien aukkojen ja neutronitähtien vahva gravitaatiokenttä eroaa yleisen suhteellisuusteorian ennustuksista – tai saada rajoja sille, miten pieniä mahdollisten poikkeamien täytyy olla, että niitä ei olisi havaittu.

Yksittäisen systeemin havainnoista pitää päätellä sekä systeemin ominaisuudet (esimerkiksi se, missä kulmassa se sattui olemaan meihin nähden) että gravitaatioteorian piirteet. Jos yleistä suhteellisuusteoriaa vaikkapa muuttaa siten, että mustien aukkojen pyörteessä syntyy vahvempia aaltoja, tämän voi piilottaa sillä, että parin kiertotaso on lähempänä katseemme suuntaa, jolloin aallon meitä kohti tuleva osa on heikompi. Kun analysoidaan useita aaltoja samaan aikaan, päästään eroon yksittäisten tapausten mahdollisista sattumista.

Mustien aukkojen väestöstä voi myös päätellä sen, millaisissa olosuhteissa ne muodostuvat ja kehittyvät. Esimerkiksi mustien aukkojen oma pyörimisnopeus ja pyörimissuunnan suhde aukon kiertotasoon kertoo siitä, kehittyivätkö aukot erillään muusta aineesta vai tiukassa vuorovaikutuksessa sen kanssa, ja olivatko ne aiempien mustien aukkojen sulautumisen tulos vai ensi kertaa asialla.

Tämä auttaisi selvittämään sitäkin, ovatko nämä mustat aukot sittenkään syntyneet tähtien romahtaessa, vai ovatko ne muinaista perua ja muodostavat pimeän aineen, kuten jotkut esittävät. Jos näin on, mustien aukkojen ei pitäisi juuri pyöriä, koska ne ovat syntyneet varhaisina aikoina isoista alueista, joiden kokonaispyöriminen on mitättömän pieni. Toistaiseksi havaittujen aukkojen pyöriminen tosiaan on keskimäärin pieni, mutta tämä voi johtua myös tähdistä syntyneiden aukkojen historiasta. Nykyinen 10 aukkoparin otos on liian pieni vaihtoehtojen erottelemiseen. Jos nähtäisiin mustia aukkoja, joiden massa on alle kaksi Auringon massaa, ne olisivat varmasti muinaisia, koska niin kevyet kappaleet eivät voi romahtaa mustiksi aukoiksi, vaan jäävät korkeintaan neutronitähdiksi.

LIGOn ja Virgon taival jatkuu kolmannen kauden merkeissä vuoden 2019 keväällä, ja vuoden loppupuolella mukaan liittynee japanilainen KAGRA. Uuden analyysin mukaan Auringon massan suuruusluokkaa olevien mustien aukkojen törmäyksiä tapahtuu lähimmän 35 miljardin kuutiovalovuoden sisällä noin 10-100 kertaa vuodessa, neutronitähtien noin 100-4 000 kertaa vuodessa. LIGO, Virgo, KAGRA, ja muut toisen sukupolven gravitaatioaaltolaitteet näkevät ensi vuosina satoja mustien aukkojen ja tusinoittain neutronitähtien törmäyksistä syntyneitä aaltoja. Laitteiden herkkyys paranee joka kaudella, ja ne saattavat myös havaita jotain uudenlaista: supernovia, millimetrin korkuisia vuoria neutronitähtien pinnalla, tai jotain aivan odottamatonta.

Sattumoisin samana päivänä kun LIGO ja Virgo ilmoittivat toisen kauden tuloksistaan, kokeellisen hiukkasfysiikan lippulaiva LHC kertoi juuri lopettaneensa toisen havaintokauden. Ensimmäisellä kaudella LHC sai kiinni pitkään havaintoa välttäneen Higgsin hiukkasen, mistä myönnettiin vuonna 2013 Nobelin palkinto – hieman nurinkurisesti massojen mekanismin kehittäneille François Englertille ja Peter Higgsille, ei LHC:n väelle.

Toinen kausi oli teknologian puolesta menestys: kiihdytin toimi aiempaa korkeammalla energialla ja keräsi viisi kertaa enemmän dataa kuin ensimmäisellä kaudella.

Mutta vaikka LHC löysi uusia kvarkeista kasaantuneita hiukkasia, kuten pentakvarkin (mikä motivoi miettimään uudelleen sitä, että pimeä aine olisi heksakvarkkeja), odotukset olivat korkeammalla. LHC:n käynnistyessä monet ajattelivat, että se pian paljastaa uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, auttaa näkemään syvemmälle todellisuuden rakenteeseen. Toivelistan kärjessä oli supersymmetria, jäljessä tekniväri, ylimääräiset ulottuvuudet ja muut kummajaiset. Toisen kauden data-analyysejä ilmestynee keväällä ja kesällä, mutta on epätodennäköistä, että niissä on mitään löytöjä. LHC:n protoni-protoni-törmäykset, ja raskaampien ytimien törmäykset, ovat sotkuisia, ja signaali erottuu kohinan seasta vain hitaasti. Koska toistaiseksi ei ole näkynyt merkkiäkään uudesta fysiikasta, kasassa oleva data jota ei ole vielä ehditty käydä läpi tuskin riittää löytöön, korkeintaan vihjeeseen.

LHC aloittaa kolmannen kauden keväällä 2021. Törmäysenergia nostetaan viimein alkuperäiseen tavoitteeseen, törmäysten tahtia kohotetaan ja laitetta parannellaan kaikin tavoin. Mutta jatkoa ei odoteta toiveikkaana. Monet hiukkasfyysikot pelkäävät, että juonenkaari on samanlainen kuin toisella kaudella, eikä tarjolla ole mitään uutta tai yllättävää. Aika näyttää.

37 kommenttia “Toisen kauden kuviot”

  1. Terminologia-asia: Populaatio-sana käännetään ihmisistä puhuttaessa väestöksi ja biologiassa kannaksi, esimerkiksi karhukanta. Tuntuisi luonnolliselta jättää se fysiikassa joko kääntämättä (mustien aukkojen populaatio) tai käyttää kanta-sanaa (musta-aukkokanta).

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Tuolta linkeistäsi koskien LHC/top-kvarkki:
    https://home.cern/news/press-release/cern/higgs-boson-reveals-its-affinity-top-quark
    New results from the ATLAS and CMS experiments at the LHC reveal how strongly the Higgs boson interacts with the heaviest known elementary particle, the top quark, corroborating our understanding of the Higgs and setting constraints on new physics.

    Joskus aiemmin (en löytänyt koska) oli puhetta siitä, kuinka top-kvarkin tarkka massa (eli tarkka kytkeytyminen Higgsin kenttään) liittyy muihin perustavanlaatuisiin kosmologian hiukkaskysymyksiin (väärä tyhjö ja Standarditeorian ylittävä fysiikka?). Nämä LHC:n tulokset eivät liene tuoneet mitään uutta asiaan?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Topin ja Higgsin massan suhteen LHC on tosiaan antanut mielenkiintoista tietoa, kuten täällä kirjoitin:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vakauden-ja-tuhon-rajalla/

      Tällä hetkellä on projekti (missä Helsingin yliopiston fysiikan laitokseltakin ollaan mukana) selvittää topin massa entistä tarkemmin, ja toisen kauden data on tässä tärkeää.

      Tyhjön kohtalo ja Standardimallin pätevyysalueen raja riippuvat hyvin herkästi Higgsin ja topin massasta. Tällä hetkellä virherajojen puitteissa tyhjö voi olla stabiili tai olla olematta, ja Standardimallin pätevyysalue saattaa ulottua aina Planckin skaalaan asti.

  3. Leo Sell sanoo:

    Mikä gravitaatioaalloissa siirtyy valon nopeudella,avaruuden kaarevuusko vai gravitoniryppäät.Massaa kun siinä 14.9.2015 maan saavuttaneessa, rysäyksessäkin sentään irtosi n.3men maanmassan verran. Miten irronnneet alkuaineet nämä aallot liikkeeseen sysäävät?

      1. Leo Sell sanoo:

        Luin ne artikkelisi.Voisiko gravitaatioaaltoilu olla,sekä pitkittäis-,että poikittaissuuntaista aaltoliikettä,jolloin se muodostaisi spin-2-kentän (eli sillä olisi vapausasteet:-2,-1, 0,1,ja2).Näin se kuvaisi sekä venyttämistä että kutistumistamista, siinä yhä ”löytämättömät” gravitonit näyttäisivät samoilta 180-asteen välein?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Gravitaatioaalloilla on spin 2. Niillä on kuitenkin yleisessä suhteellisuusteoriassa vain kaksi vapausastetta. Gravitaatioaaltojen avulla on etsitty useampia mahdollisia polarisaatiovapausasteita, ja toisen kauden havainnot antavat entistä tarkemman rajan sille, miten pieni niiden osuus aallosta pitää olla, jotta niitä ei olisi nähty.

          Hieman lisää täällä:

          https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/veikkauksia-piparmintun-tiimoilta/

  4. Eusa sanoo:

    Jo ensimmäisen gravitaatioaaltohavainnon datasta löysin kaikumuotoja. Myös jokainen tutkimusryhmä, joka niitä on hakenut, on melusta sellaisia erottanut 2…4,2 sigman luotettavuudella.

    https://arxiv.org/pdf/1811.07431

    Uusin tutkimus aiheesta perustuu ennaltamääräämättömään odotuskuvioon, mutta kuitenkin havaittuun signaaliin sitoen ehdottaen, että yli 5 sigman todennus kaiuista saadaan ja että kaiut ovat yhteensopivia mieluummin tapahtumahorisontittomien kohteiden kuin mustien aukkojen kanssa.

    Ehkä toisella kaudella eräs päätutkintalinja olisi falsifioida musta aukko tai gravitaatiosignaalien yhdistymistapahtuman jälkeiset kaiut…?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Törmäävien kohteiden rakenteesta kertovat kaiut ovat tosiaan yksi tutkimuskohde. Sellaisia ei toistaiseksi ole löytynyt.

    2. Eusa sanoo:

      Tarkennettakoon tutkimuksen kuvioseulonnasta: kuviota (template) käytettiin, mutta ei mustan aukon odotusarvoin vaan bayesiläistä tilastotiedettä hyödyntävän data-analyysin kertyvällä interferoinnilla muodostettua kuviointia (mikäli ymmärsin kertalukemalla oikein). Menetelmän haaste on vähäisessä datassa yhdestä tapahtumasta ja luotettavuus parantuu toisaalta samankaltaisten tapahtumien lisääntyessä toisaalta useampien havaintolaitteiden tallentaessa dataa samasta tapahtumasta.

  5. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: ”Tällä hetkellä on projekti (missä Helsingin yliopiston fysiikan laitokseltakin ollaan mukana) selvittää topin massa entistä tarkemmin, ja toisen kauden data on tässä tärkeää”.

    OK kiitos vastauksesta.Eli onko muitakin tutkimusprojekteja kuin LHC data meneillään vai seulotaanko tässä(kin) vain LHC valtavaa (vanhaa) dataa. Eli mitä on tämä ” toisen kauden data” vastauksessasi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Viittaan toisen kauden LHC-dataan.

      LHC-kiihdyttimen parissa työskentelee seitsemän isoa tutkimusryhmää, joista jokaisessa on lukuisia eri tutkimusprojekteja.

  6. Mika sanoo:

    Millä tavalla gravitaatioaaltohavainnoista pystytään päättelemään aaltoja lähettäneen kohteen tyyppi, vai vaatiiko se aina myös muita havaintoja ko. tapahtumasta? Viitaten tähän ”Jos nähtäisiin mustia aukkoja, joiden massa on alle kaksi Auringon massaa”, eli mistä tiedetään kyseessä olevan nimenomaan musta aukko?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Lähteiden rakenne vaikuttaa aaltojen muotoon, eli siihen, miten niiden korkeus ja taajuus muuttuu ajan myötä.

      Esimerkiksi neutronitähdet venyvät viimeisillä kierroksilla enemmän kuin mustat aukot. Toisaalta isommat kappaleet törmäävät isommalla etäisyydellä kuin mustat aukot. Yhteensulautuneiden kohteiden muodostaman kappaleen värähtely on myös erilainen riippuen siitä, onko kyseessä musta aukko vai jokin muu kohde.

      Toistaiseksi rajat mahdollisille poikkeamille mustien aukkojen käytöksestä ovat melko heikkoja, paitsi neutronitähtiparin tapauksessa.

      1. Eusa sanoo:

        Poikkeamien esiintyvyyttä ei luonnollisestikaan lisää se, että suodattimet on simuloitu enimmäkseen juuri mustien aukkojen perusteella. eLISA tuonee tunnistettavuuteen tasavertaisuutta kaikenlaisten gravitaatioaaltotapausten tallentamiseen ja niitä lieneekin sitten päivittäin useita…

  7. Jos LHC on ehkä toistaiseksi alittanut ennakko-odotukset, gravitaatioaaltohavainnot tuntuvat ylittävän ne (subjektiivinen käsitys). Ensimmäinen havainto ei jäänyt irralliseksi, vaan nyt on jo pieni tilasto.

    Olenko ymmärtänyt seuraavan oikein? Gravitaatioaaltomittaus ei mittaa aallon energiavuota, vaan metriikan variaation amplitudia suoraan. Energiavuo vaimenee kuten 1/r^2 ja amplitudi kuten 1/r. Siksi tapahtumien määrä kasvaa nopeasti kun mittarin raja-amplitudia pienennetään. Tapahtumien määrä per aikayksikkö kasvaa herkkyyden kolmanteen potenssiin.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä, juuri noin.

  8. Lentotaidoton sanoo:

    Sori, palaan vielä tuohon top/Higgs massoihin. Mistään en ole löytänyt selvitystä MIKSI Standardimallin pätevyysalue (ja tyhjön kohtalo) riippuu herkästi näiden massojen tarkasta arvosta. Eli MITÄ LHC tarkkaan on kertonut: ” Se onkin ainoa uusi maailmankaikkeutta kuvaava luku, jonka LHC on meille kertonut.” Tiedämme että kenttä antaa topille massan, mutta itse Higgsille kenttä ei anna massaa (ainakaan kaikkea). Ja lisäksi, yleensähän hiukkasten massojen suuruuksilla (niinkuin ei millään noin 20:llä perusparametrillä) ei ole mitään selitystä/mekanismia, ne ovat vain mittaustuloksia (joista hiukkasten massoista sitten lasketaan itse Higgsin kentän arvo). Vai onko tämä liian pitkä stoori tässä kuvattavaksi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      LHC on kertonut Higgsin massan.

      Mainitsemasi Standardimallin vapaat parametrit määräävät, miten kentät käyttäytyvät sillä energialla, millä niitä on mitattu, eli nykyisten kiihdyttimien energialla. Kvanttikorjausten takia niiden vuorovaikutukset ovat erilaisia eri energioilla. Higgsin massa ja topin massa vaikuttavat kvanttikorjausten kautta siihen, miten voimakkaasti Higgs vuorovaikuttaa itsensä kanssa.

      Top-kvarkki heikentää Higgsin itseisvuorovaikutusta. Se voi heikentää sitä niin paljon, että vuorovaikutus muuttuu attraktiivisesta repulsiiviseksi korkeilla energioilla. Jos näin käy, Standardimallin vakuumi ei ole stabiili. Top-kvarkin ja Higgsin vuorovaikutuksen voimakkuus on verrannollinen topin massaan.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        Hiukkaskiihdyttimiähän on ollut jo vuosikymmeniä (1930 luvulta lähtien). Kuinka paljon/vähän nämä 20 parametriä ovat muuttuneet kiihdyttimien historiassa kun kirjoitat: ”Kvanttikorjausten takia niiden vuorovaikutukset ovat erilaisia eri energioilla”. Tietysti sekä top että Higgs ovat vasta viimeaikojen kiihdyttimien löytöjä (Tevatron ja LHC), mutta tarkoittaako lauseesi sitä, että nykyistenkin kiihdyttimien energia on naurettavan pieni teoreettiseen kattoon eli Planckin energiaan verrattuna. Ja että välissä on valtava tuntematon erämaa, joka voi periaatteessa tuottaa rajusti erilaista fysiikkaa (ja lisää niitä kvanttikorjauksia). Ja parametrit muuttua sen mukaisesti.

        Eli voimmeko joskus kaukaisessa tulevaisuudessa kokeellisesti tietää elämmekö mahdollisesti väärässä tyhjössä?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Standardimallin parametrit, kuten hiukkasten massat ja vuorovaikutusten voimakkuudet, riippuvat energiasta. Niiden arvo yhdellä energiaskaalalla on mielivaltainen, mutta kun se on mitattu, teoria määrää sen arvon muilla skaaloilla.

          Parametrit muuttuvat kuitenkin hitaasti energian funktiona. (Poikkeuksena vahvan vuorovaikutuksen voimakkuus, joka muuttuu voimakkaasti noin 100 MeV:n kohdalla.) Esimerkiksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuus muuttuu nollaenergian rajalta sähköheikolle energialle vain arvosta 1/137 arvoon 1/128.

          Jos on uutta fysiikkaa, niin se toki myös vaikuttaa parametrien muutokseen. Niinpä esimerkiksi kysymykseen siitä, onko nykyinen tyhjö satabiili, ei voi vastata ellei tiedetä mitä kaikkea korkeilla energioilla on.

          Kääntäen, jos tyhjö olisi liian epästabiili, tätä voisi periaatteessa käyttää osoittamaan että tarvitaan uutta fysiikkaa. Standardimallin kohdalla tämä ei toimi nykytyhjölle, koska tyhjön elinikä on joka tapauksessa paljon isompi kuin maailmankaikkeuden elinikä. Inflaation aikana tosin voidaan saada mielenkiintoisia rajoja, koska kenttä ei saa eksyä väärään tyhjään inflaation aikana eikä lopussa.

          1. Syksy Räsänen sanoo:

            Tällä hetkellä suurin virhelähde ei ole mittaustarkkuus, vaan vaikeudet mitatun arvon yhdistämisessä teoreettisissa laskuissa käytettyyn topin massaan, ne kun ovat eri suureita, joiden suhde on hyvin monimutkainen.

  9. Vähän off-topic. Olisi mielenkiintoista kuulla Syksyn mielipide Farnesin yrityksestä selittää pimeä aine ja energia negatiivisen massan hiukkasilla, joita syntyy hitaasti lisää, https://arxiv.org/pdf/1712.07962.pdf . Ajatus näyttää toimivan ainakin jossain määrin koska simulaatio niin näyttää, mutta esimerkiksi sitä en osaa sanoa pystyisikö se selittämään rakenteiden synnyn yhtä hyvin kuin lambda-CDM.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tuo artikkeli ei mielestäni ole mielenkiintoinen eikä varteenotettava.

      1. Jernau Gurgeh sanoo:

        Tuostahan on Sabine Hossenfelderin Backreaction -blogissa melko tuore kirjoitus ja vilkas keskustelu kommenteissa.

        Sabine on Syksyn kanssa ilmeisen samaa mieltä, mutta olisi kiva jos Syksy pystyisit jonkinlaisen pienen yhteenvedon suomeksi tekemään aiheesta (negatiivinen massa) yleisemmin.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kyseinen malli on teoreettisesti vailla motivaatiota ja räikeässä ristiriidassa havaintojen kanssa, joten en pidä järkevänä käyttää sen avaamiseen aikaa.

          1. Mihin räikeään ristiriitaan viittaat? Hossenfelderin blogista asia ei tunnu selviävän, siellä viimeinen Sabinen kommentti on ”In summary, there’s a priori no obvious contradiction between Farnes’ idea and existing measurements.”

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Maailmankaikkeuden laajeneminen ja siksi myös etäisyydet ovat täysin pielessä.

            Ei tästä sen enempää.

  10. Cargo sanoo:

    Onko olemassa sellaista borderline-crackpottery-spekulaatiota, että törmäyksissä syntyneet hiukkaset voivat muuttua välittömästi energiaksi, joka ilmenee aika-avaruuden aaltoliikkeenä? Tällöin voisi olla sellaisia hiukkasia, joita ovat ehkä pysyvästi näkymättömiä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aika-avaruuden aaltoliike tunnetaan myös nimellä gravitaatioaallot. Hiukkastörmäyksissä toki syntyy gravitaatioaaltoja, mutta gravitaatio on niin heikko vuorovaikutus, että niiden osuus törmäysenergiasta on mitättömän pieni.

  11. Eusa sanoo:

    Kirjoitatko mieluummin aika-avaruus kuin avaruusaika siksi, että aikakoordinaatti tavataan esittää ennen avaruuskoordinaatteja? Englanninkielessä yleisempi ilmaus on spacetime kuin time-space…

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aika-avaruus kuulostaa suomeksi sujuvammalta.

  12. Cargo sanoo:

    Tuosta LIGO’sta tuli mieleen gravitaatioaaltojen kvalitatiivisia ominaisuuksia koskeva kysymys. Fysikaalisen aaltoliikkeen yleinen ominaisuus on se, että nopeuden muuttuessa tapahtuu liikkeen heijastumista, joten onko mahdollista, että myös gravitaatioaallot voivat heijastua, kun aaltoliike etenee esim. alueeseen, jossa on suurempi energiatiheys?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Gravitaatioaallot liikkuvat valon nopeudella riippumatta siitä, kulkevatko ne aineen läpi.

      1. Cargo sanoo:

        Jos SMG-kenttä heijastuu esim.vedestä ja aineaalto potentiaalista, niin luulisi kai jonkun yrittävän modifioida gravitaatioteoriaa sellaiseksi, että myös aika-avaruuden allot kokevat heijastumista?

        Tosin silloin teorian pitäisi varmaankin perustua Huygenin periaatteeseen ja aaltoliikkeen intensiteettiin.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Gravitaatioteorioiden muokkaaminen pohjaa teorioiden rakenteeseen tai selitettäviin koetuloksiin, ei pyrkimykseen saada gravitaatioaallot heijastumaan.

          Tämä riittäköön tästä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Vallankumouksen sirpaleita

2.12.2018 klo 12.24, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Matemaattisten aineiden opettajien liiton lehdessä Dimensio 4/2018 on artikkelini Vallankumouksen sirpaleita: huomioita fysiikan opetuksesta. Juttua ei ole nettiversiossa, kiinnostuneiden täytyy haalia käsiinsä paperia. Kirjoitus alkaa seuraavasti:

”Fysiikka on vallankumouksellista. Vuosisata sitten kvanttifysiikka ja suhteellisuusteoria mullistivat ymmärryksemme todellisuudesta. Suhteellisuusteoria muutti käsityksen ajasta ja avaruudesta. Tämä avasi ovet maailmankaikkeuden kehityksen hahmottamiseen ja ihmisten näkemiseen osana maailmankaikkeuden historiaa. Kvanttifysiikka paljasti aineen luonteesta asioita, jotka olivat kuvitelmia ihmeellisempiä. Kvanttifysiikka on myös osoittautunut kaikkien aikojen hedelmällisimmäksi tieteelliseksi teoriaksi: se muodostaa elektroniikan ja nykykemian –toisin sanoen lähes kaiken nykyteknologian– pohjan.

Koulufysiikan opetussuunnitelmassa näitä asioita hädin tuskin mainitaan.”

12 kommenttia “Vallankumouksen sirpaleita”

  1. Cargo sanoo:

    Itse taas en voi kuin ihmetellä, että miksei pseudo-Riemannin monistojen kovariantti derivaattaa tai Hilbertin avaruuden rajoittamattomien operaattoteiden spektraaliteoriaa mainita koulumatematiikan opetussuunnitelmassa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jos haluat lukea, mistä itse asiassa on kysymys, niin kirjoitin Ylelle joku aika sitten samasta aiheesta suppeamman jutun:

      https://yle.fi/aihe/artikkeli/2018/04/13/opetetaanko-koulussa-fysiikkaa-vaarin-syksy-rasanen-opetuksen-sisalto-on

      1. Cargo sanoo:

        Kiitosta vain linkistä, ja itse voin lukea tuon Dimension paikallisen yliopiston kirjastossa. Tosin koko läpyskä on nykyään niin täynnä pelkkää digihöttöö ja temppuoppimista, ettei paljoa jaksa vilkaista.

        Mutta kun osaaminen tulee tulevaisuudessa edelleen laskemaan, niin ehkä Dimensionkin sivut vielä täyttyvät konservatiivisista vaatimuksista tasoryhmien ja opettajajohtoisen kynä-paperi-opiskelun puolesta.

      2. Cargo sanoo:

        Olisiko mahdollista kehittää lukion fysiikkaan valinnaista kurssia, esim. Physics X – á la Feynman? Nykyinen päättömästi digiloikkaava opetusministeri tuntuu innostuvan aivan kaikesta, jos siinä on jotain uutta. Fysiikasta kiinnostuneet oppilaat ovat toki jo nyt netin kautta autodidaktisia, mutta laajempi oppilasjoukko voitaisiin houkutella tieteen maailmaan tuollaisen valinnaisen kurssin kautta, etenkin kun ottaa huomioon esim. poikien luontaisen laumakäyttäytymisen.

        Tuollaisella Fysiikka X -kurssilla sitten pohditaan opettajan johdolla luonnonilmiöitä ja niistä seuraavaa uutta fysiikkaa minimaalisin matemaattisin apuvälinein. Jos esim. oletetaan Maxwellin yhtälöt tunnetuiksi, niin tarkastelemalla kahta fysikaalisesti erillistä tilannetta, joissa magneetti liikkuu johtimen ollessa levossa, tai johtimen liikkuessa magneetin ollessa levossa, päädytää suhteellisuusperiaatteeseen että havainnot saataisiin selitettyä. Sitten voitaisiinkin tarkastella graafisesti aika-avaruus-koordinaatistoa ja suhteellisuusperiaatteen edellyttämää Lorentz-muunnosta, josta päädytäänkin aikadilataatioon ja vaikka relativistiseen liikemäärään. Kvanttimekaniikkaa voitaisiin selittää fotonien ja elektronien samanlaisella diffraktiolla, mistä seuraa selitys valon ja ainehiukkasten liikkeelle kaikkien eri ”vaiheisten” polkujen summana. Visuaalisesti havainnollistettu Fourier-muunnos ja kokeellinen epätarkkuusperiaate selittää hiukkasten aaltomaisuuden sekä atomien spektrin seisovina aaltoina potentiaalikuopissa yms. yms. Eräs ohjenuora voisi olla se, että kaikki fysiikan teoriat pyritään ”johtamaan” ensimmäisten periaatteiden sekä yksinkertaistetun matematiikan avulla.

  2. Jos ei muuta, niin ainakin sen voisi kaikillekin opettaa että ilman kvanttifysiikkaa normaalia ainetta ei voisi olla olemassa, koska elektronit etsiytyisivät atomiytimiin ja jäisivät sinne. (Formulointia pitäisi toki miettiä huolellisemmin.)

  3. Tapsa sanoo:

    Syksy, nyt olet ihan asian ytimessä! Kannatan!

    On aivan käsittämätöntä, ettei suurimmalla osalla (näin rohkenen oman kokemukseni perusteella väittää) muuten fiksuista ja koulutetuista ihmisistä ole oikein mitään käsitystä näistä asioista, jotka on kuitenkin kehitetty jo 100 vuotta sitten.

    Puhuin kerran erään ict-ammattilaisen (!) kanssa avaruusmatkoista ja viittasin ohimennen ns. kaksosparadoksiin. Kaverini ei tuntenut termiä, vaan pyysi selittämään asian – ja sen lopuksi tokaisi: valehtelet.

    1. Vertailun vuoksi, kaikenlaista on tullut vastaan. Esimerkiksi väittelin kerran pitkään erään ulkomaisen avaruusplasmafyysikon kanssa eräästä matemaattisesta jutusta. En antanut asiassa periksi, koska hänen väitteensä oli että kompleksiluvun neliö on reaaliluku. Olen myös tavannut useamman kuin yhden satelliitteja työkseen suunnittelevan insinöörin, jolle mekaniikan perusasiat kuten pyörismäärän säilymislaki ja Newtonin kolmas laki tuntuvat olevan uusia asioita.

      1. Cargo sanoo:

        Itse olen ollut seuraamassa väitöstilaisuutta, jossa vastaväittäjä kysyi, että ”mistä tämä tulos XX on tullut?” Kyseessä oli siis simppeli moniulotteisen differentiaaliyhtälön ratkaisu, jossa eksponentti oli muotoa (vakio)*|x|^2. Tuleva tohtori oli vain kopioinut tuloksen jostain eikä millään muistanut, että neliö tarkoittaa reaalisten vektoreiden pistetuloa! Piruparka meni aivan jäihin ja vasta kustoksen puuttuminen tilanteeseen palautti väitöskeskustelun takaisin raiteilleen. Toisaalta myös Werner Heisenberg mokasi väitöstilaisuutensa, kun Wilhelm Wien alkoi kuulustelemaan kokeellisesta fysiikasta ja sai teoreettisen väittelijän täysin hämilleen.

      2. Eusa sanoo:

        Jospa hän tarkoitti/muisteli, että kompleksiluvun normin neliö eli luvun ja sen kompleksikonjugaatin tulo on aina reaaliluku?

  4. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Upetuksen kehittäminen on jalo pyrkimys, koska opetus jää helposti lapsipuolen asemaan painopisteen ollessa tutkimuksessa. En kuitenkaan kantaisi asiasta liian suurta huolta, sillä asioista kiinnostunut löytää netistä todella hyvää materiaalia, joka voi poiketa myös yleisestä paradigmasta.

    Kannattaa muistaa Stanislaw Lemin aforismi;

    ”Monta asiaa olisin oppinut, ellei niitä olisi minulle opetettu.”

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Nettivideot eivät korvaa kunnollista kouluopetusta.

  5. Lentotaidoton sanoo:

    Itse olen sitä ikäluokkaa, jolle oppikoulun (siis tällaisen muinaissysteemin) lukiossa ei tietenkään puolella sanalla puhuttu suhteellisusteoriasta saati sitten että sanaa kvantti olisi edes kukaan koskaan kuullutkaan. Einstein vain nimenä oli hädin tuskin tuttu (muista ei ollut aavistustakaan). No eipä yhteiskunnan tekniikkakaan ollut muutenkaan kummoista, höyryjunat puuskuttivat ja ensimmäiset televisiot (musta-valkoiset) ilmestyivät äveriäimpien kotiin (ja Ifalla ja piikkinokkaMossella ajettiin).

    Kirjoitin kuitenkin ns pitkän matikan. Jota senkoomin en ole tarvinnut kuin yksinkertaisten ensimmäisen asteen yhtälöiden ratkaisuissa. Ainoa yksityiskohta muistissa kouluajalta oli kun ns prelluissa kysyttiin derivaatta sini x:n ratkaisua. Olen saanut kaupallisen koulutuksen sekä senmukaisen ”karriäärin”. Tie siitä eteenpäin on ollut (tuskaisen) pitkää itseopiskelua. Kukaan eikä mikään pakottanut. Tiedon jano yksinkertaisesti yllytti ottamaan asioista selvää. Nyt eläkeukkona luen joka päivä sekä suhteellisuusteoriaa että kvanttifysiikaa ja etenkin kosmologiaa (nämähän kaikkihan nivoutuvat läheisesti toisiinsa) ja tämä enimmäkseen englanniksi. Suuri rajoitteeni edelleen on matematiikka.

    Maailma on nimenomaan tekniikan osalta kehittynyt noista ajoista käsittämättömän rajusti. Monasti ajattelen että mitähän minustakin olisi tullut jos olisi koulussa edes välttävän alustavat tiedot annettu suhteellisuudesta/kvanteista. Olisiko ura heittänyt toisaalle? Periaatteessa nyt tilanne on totaalisti toinen. Vaikka koulussa edelleen vaietaan noista asioista, niin netin/television (ja Räsästen yms) ansiosta jotkut saavat kuitenkin edes sen alustavan kipinän (tietysti Räsäsen mukaisesti tämä ei vastaa varsinaista opiskelua).

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *