Pastaa syvemmälle

18.1.2018 klo 23.43, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mustien aukkojen lisäksi LIGOn, Virgon ja tulevien gravitaatioaaltodetektorien odotetuimpia kohteita ovat neutronitähdet. Lokakuussa ilmoitettiin ensimmäisestä törmäyksestä, jossa ainakin toinen osapuoli on neutronitähti. Tapahtuma oli havaittu viime elokuussa, ja vastaavia odotetaan lisää LIGOn ja Virgon aloittaessa taas tänä syksynä päivityksen jälkeen.

Selittelen tässä hieman siitä, mitä neutronitähdet ovat, miksi ne ovat kiinnostavia ja mitä niiden törmäyksistä voidaan oppia. Aleksi Kurkela Stavangerin yliopistosta piti tänään Helsingin yliopistossa fysiikan laitoksella seminaarin aiheesta, mihin tämä merkintä osittain perustuu; Helsingissä alan asiantuntija on Aleksi Vuorinen.

Neutronitähdet ovat mustien aukkojen jälkeen äärimmäisimpiä tunnettuja kappaleita maailmankaikkeudessa (jos mustia aukkoja sopii kutsua kappaleiksi). Neutronitähti syntyy, kun yli kahdeksan Auringon massan painoinen tähti romahtaa ydinpolttoaineen loputtua. Romahdus sytyttää ydinräjähdyksen, joka heittää suurimman osan tähden aineesta avaruuteen. Gravitaatio pusertaa jäljelle jääneen osan tiheäksi paketiksi, neutronitähdeksi. Neutronitähden massa on yhdestä kahteen Auringon massaa tai vähän yli – kevyempi ei pysyisi kasassa, raskaampi romahtaisi mustaksi aukoksi – mutta säde vain kymmenen kilometrin luokkaa.

Neutronitähden tiheys on niin iso, että sitä on vaikea sovittaa arkiseen mittakaavaan. Punasolun verran neutronitähteä painaa yhtä paljon kuin ihminen, hiuksen kokoinen pala painaa enemmän kuin Haltitunturi, mehutölkin tilavuudessa on massaa kuin Mount Everestissä. Näissä vertauksissa joko tilavuus tai massa on inhimillisten mittojen tuolla puolen, mutta toisaalta neutronitähdet juuri suurentavat pienen mittakaavan ilmiöitä inhimillisesti hahmotettaviin mittoihin.

Kurkela kutsuikin neutronitähtiä leikillisesti femtoskoopeiksi: niitä tarkkailemalle ei saada tietoa mikrometrin mittakaavan tapahtumista kuten mikroskoopeilla, vaan pannaan miljardi kertaa pienemmäksi ja luodataan femtometriin eli 10^(-15) metriin. Tämä tarkoittaa sitä, että neutronitähdissä näkyy arkisissa mitoissa ilmiöitä, jotka ovat yleensä merkittäviä vain atomiydinten mittakaavassa.

Karkea kuva neutronitähdestä onkin, että se on kuin valtava atomiydin, jossa on enimmäkseen neutroneita. Gravitaation puristaessa syntyräjähdyksen jälkeen ainetta lähemmäs keskustaa tiheys kasvaa niin isoksi, että atomiytimet kohtaavat. Ytimet koostuvat neutroneista ja protoneista. Kun niiden tiheys kasvaa, protonit yhtyvät ytimiä kiertäviin elektroneihin ja muuttuvat neutroneiksi. Vapautuva energia pakenee tähdestä neutriinoina.

Tuon kuvauksen tarkkuus on suunnilleen sama kuin jos sanoisi Maan olevan kivipallo.

Neutronitähtien yksityiskohtainen rakenne on monimutkainen, eikä sitä vielä täysin tunneta. Uloimpana on, kuten Maalla, ilmakehä. Suomeksi ilmakehä (engl. atmosphere) saattaa tosin olla tässä hieman harhaanjohtava termi, koska kyseessä on vapaista ytimistä ja elektroneista koostuva plasma, jonka lämpötila on kymmenisen miljoonaa astetta. Ilmakehän syvyys on kymmenen metriä. Sen jälkeen on sadan metrin paksuinen ulkokuori, joka koostuu neutronipitoisista ytimistä.

Ulkokuoren alle sukellettaessa vastaan tulee sisäkuori, jossa neutronit alkavat vuotaa ytimistä ulos. Siellä saattaa kohdata erilaisia ytimistä koostuvia rakenteita: pallomaisia (lihapullat), kiinteitä sylintereitä (spagetti), levymäisiä (lasagne), kolmiulotteisia onkaloita (ravioli, reikäjuusto) ja onttoja sylintereitä (ziti). Nämä uivat neutroneista koostuvassa nesteessä (kastike): kuutiometri sitä painaa enemmän kuin Itämeri. Edellä on suluissa rakenteiden muotoa kuvaava tekninen termi; kokonaisuus tunnetaan nimellä ydinpasta.

Sisäkuoren jälkeen tulee ulompi keskusta, missä aine muuttuu täysin nestemäiseksi, ja mahdollisesti suprajuoksevaksi ja suprajohteeksi. Ei oikein tiedetä mitä sisemmässä keskustassa tapahtuu. On mahdollista, että aine valahtaa siellä todelliseen perustilaansa, joka saattaa koostua up– ja downkvarkkien, neutronien rakennuspalikoiden, lisäksi myös strange-kvarkeista. Tässä tapauksessa keskustaa ei pidä kasassa gravitaatio, vaan kvarkkien väliset vuorovaikutukset riittävät sitomaan sen yhdeksi kokonaisuudeksi. Voi myös olla, että keskustassa kvarkit eivät muodosta mitään rakenteita, vaan elävät vapaina. Kvarkit olivat vapaita varhaisessa maailmankaikkeudessa, ennen mikrosekunnin ikää, ja samankaltaiseen tilaan päästään hetkellisesti CERNin LHC:n ja muiden kiihdytinten törmäyksissä.

Ydinfysiikkaa on tutkittu paljon viime vuosisadan alkupuolelta lähtien. Voi siis tuntua kummalliselta, että ei osata sanoa, mitä neutronitähdissä tarkalleen tapahtuu. Tähän on kaksi syytä.

Ensinnäkin, ydinfysiikka on hankalaa, koska neutronit ja protonit eivät ole alkeishiukkasia, ja sisärakenteensa takia ne voivat vuorovaikuttaa monilla eri tavoilla. Osansa on myös sillä, että on monia muitakin kvarkeista koostuvia hiukkasia, jotka pitää ottaa huomioon ydinainetta tarkasteltaessa.

Toisekseen, Maassa vallitsevissa olosuhteissa ytimissä on suunnilleen yhtä paljon protoneita ja neutroneita, kun taas neutronitähdissä protoneita on vain muutama prosentti; loput ovat muuttuneet neutroneiksi. Niinpä Maan päältä ei ole havaintoja neutronitähtien kaltaisesta aineesta: kiihdyttimissä päästään samoihin tiheyksiin, mutta niissä ytimet ovat paljon kuumempia ja siksi niiden ymmärtäminen on helpompaa.

Juuri tämän takia neutronitähdet ovatkin kiinnostavia: kilometrien mittakaavan tapahtumat paljastavat ydinfysiikan tuntemattomia yksityiskohtia. Mitä voimakkaammin keskustan hiukkaset ovat sitoutuneet toisiinsa vuorovaikuttavat, sitä jäykempi neutronitähti on. Vapaista kvarkeista ja gluoneista koostuva plasma on esimerkiksi pehmeämpää kuin tiukasti pakatuista ytimistä koostuva aine. Mitä jäykempää aine on, sitä isompi neutronitähti voi olla: pehmeä aine lysähtää.

Siispä tarkoista mittauksista neutronitähtien koosta ja massoista voi lukea sen, miten ytimet käyttäytyvät hyvin tiheissä olosuhteissa. Kansainvälisellä avaruusasemalla oleva NICER-koe pyrkii mittaamaan joidenkin neutronitähtien koon (massa tunnetaan jo hyvin) kahden prosentin tarkkuudella niiden lähettämien röntgensäteiden avulla. Tämä kirkastaisi käsitystämme kvarkeista ja gluoneista koostuvan aineen käyttäytymisestä huomattavasti. Tuloksia odotetaan tämän kevään aikana.

Toinen tapa saada tietoa neutronitähtien koostumuksesta on niiden törmäyksistä tulevat gravitaatioaallot ja sähkömagneettiset aallot. Mitä kovempaa aine on, sitä kookkaampi neutronitähti on. Isompi tähti venyy helpommin kiertäessään seuralaista ennen törmäystä, mikä muuttaa parin lähettämiä gravitaatioaaltoja. Lokakuussa ilmoitetussa parissa ei tällaista venymistä näkynyt, mikä rajoittaa sitä, kuinka kova keskusta voi olla. Jos kahden neutronitähden törmäyksen tuloksena on neutronitähti, niin törmäyksen jälkeiset gravitaatioaallot myös kertovat siitä, millaista aine on. Mitä kovempaa aine on, sitä tiukemmin se värähtelee, ja sitä isompi on aaltojen taajuus. Viime elokuun parin kohdalla törmäyksen jälkeinen gravitaatioaaltosignaali oli liian heikko havaittavaksi (ja niistä luultavasti syntyi musta aukko), joten tämän ilmiön löytäminen on vielä edessä.

Muita kiehtovia asioita ovat vinhasti pyörivien neutronitähtien pinnalle olevien millimetrin korkuisten vuorten lähettämät gravitaatioaallot, samaisten pyörivien tähtien lähettämien radiosignaalien käyttäminen kelloina, pimeän aineen mahdollinen vaikutus keskustassa, äärimmäiset magneettikentät ja yleisen suhteellisuusteorian testaaminen neutronitähtien avulla. Näiden aiheiden käsittely ei tähän mahdu, mutta palannen joihinkin niistä myöhemmin, viimeistään uusien havaintojen myötä.

Päivitys (20/01/18): Tein tekstiin kaksi korjausta, jotka on merkitty yliviivauksella.

Ensinnäkin, jos neutronitähden keskusta koostuu up-, down- ja strange-kvarkeista, niin se tuskin pysyy kasassa ilman gravitaatiota. (Toisin kuin sellainen –epätodennäköinen– tilanne, jossa neutronitähdet koostuvat kokonaan strange-kvarkkeja sisältävästä aineesta.)

Toisekseen, sekä puoleensavetävien että hylkivien vuorovaikutusten voimakkuuden kasvu keskustassa voi johtaa jäykempään aineeseen, ja pääasiassa on kyse hylkimisestä.

Kiitos Aleksi Vuoriselle korjauksista.

18 kommenttia “Pastaa syvemmälle”

  1. Eusa kirjoitti:

    GW170817 -analyysitiedot kertovat, että yli 1/40 auringon massaa hävisi järjestelmästä sulautumisen yhteydessä.

    Missä muodossa tuo massaenergia oli ennen sulautumista, kun oletetaan ettei ainekatoa tapahdu gravitaatioaaltojen muodostumisessa ja onko vastaava ”gravitaatiodynaaminen massa” poissuljettu pimeän massan selittäjänä monimutkaisesti ja hierarkisesti järjestyneissä järjestelmissä, kuten galakseissa ja galaksijoukoissa?

    En ole nähnyt laskelmaa, jossa olisi selvitetty dynamiikkaan sitoutuneen massaenergian osuutta – yleensä näyttää lasketun näkyvän aineen määrää ja sitä vastaavaa massaa. Eikö dynamiikkaan avaruusajan kaarevuuden muodossa pitämiseksi tarvita kuitenkin oma energiaosuutensa, joka tulee ilmi näissä sulautumisissa ja saattaisi kertautua merkittäväksikin, kun dynamiikka on hierarkista ja selvin massajakaumavaihteluin (esim. spiraaligalaksit)?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Kyseinen järjestelmä säteili pois määrän energiaa, joka vastaa 2.5% Auringon massasta.

      Ennen törmäystä järjestelmällä oli positiivista liike-energiaa (ja massaan liittyvää lepoenergiaa) sekä negatiivista gravitaatioon liittyvää energiaa. Mitä lähempänä kappaleet olivat, sitä voimakkaampaa niiden gravitaatio oli ja sitä negatiivisempi siihen liittyvä energia oli. Kun systeemi säteilee gravitaatioaaltoja, kappaleet tulevat lähemmäksi toisiaan. Sitten niiden liike nopeutuu, joten ne säteilevät vielä enemmän. Tämän takia systeemi nopeutuu ja törmäyksen loppuvaiheet ovat hyvin pikaiset.

      Tällä ei ole mitään tekemistä pimeän aineen kanssa. Isommassa mittakaavassa, kuten galakseissa, gravitaatioon liittyvän energian osuus on mitätön.

      1. Eusa kirjoitti:

        Ei kai kappaleiden keskinäisen gravitaation voimakkuus ole sinänsä merkityksellinen järjestelmän ulkopuolen suhteen vaan se, säilyykö etäisyys ainerakenteen vai kinetiikan ansiosta. Jos kappaleet eivät pyöri, vaan ne pitää erillään tukitanko, silloin ulkopuolelle gravitoi aineiden massasumma. Jos ne pysyvät erillään keskinäisen liike-energian johdosta, silloin gravitoi ulos suurempi ”massa”, neutronitähtien tapauksessa juuri ennen merkittävää inspiraalia n. 1/40 auringon massan verran suurempi energia.

        Menikö aivan väärin?

        1. Syksy Räsänen kirjoitti:

          Meni. Tämä menee merkinnän aiheesta vähän sivuun, joten ei tästä sen enempää.

  2. Eusa kirjoitti:

    Neutronitähdistä kun on puhetta, mitä arvelet tuoreesta uutisesta, jonka mukaan GW170817 -sulauman jälkihehku voimistuu ennakko-odotuksista poikkeavalla tavalla. Eikö ainerakenteen tuntemukseen voisi olla tästä tapauksesta luvissa vielä jotain hedelmällistä?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      En ole huomannut, mikä uutinen tuo on?

        1. Syksy Räsänen kirjoitti:

          Neutronitähtien törmäysten jälkipyykin mallintamisessa on vielä paljon kehittämistä, mutta tuon artikkelin raportoimissa havainnoissa ei ole mitään erityisen järisyttävää.

          1. Eusa kirjoitti:

            Eipä todellakaan. Mielenkiintoista seurata nähdäänkö kirkkausvaihtelua, joka kertoisi aineen järjestymisestä kertymäkiekoksi tms jne.

          2. Pekka Janhunen kirjoitti:

            Yksi spekulaatio joka on esitetty (ei tietääkseni tosin tässä tapauksessa) on että joidenkin neutronitähtien ytimessä saattaisi tapahtua ”sähköheikkoa palamista” jossa kolme baryonia muuttuu kolmeksi leptoniksi sphaleroniksi kutsutun objektin katalysoimana. Kaiketi ilmiön ulkoisena tunnusmerkkinä olisi neutronitähden tavallista suurempi energiantuotto. Ei varmaankaan tosin ihmisen aikaskaalassa.

          3. Syksy Räsänen kirjoitti:

            Kuulostaa kummalliselta. Sphaleroneilla on merkitystä vasta paljon isommissa lämpötiloissa kuin mitä neutronitähdissä vallitsee.

          4. Pekka Janhunen kirjoitti:

            Tuo paperi on https://arxiv.org/abs/0912.0520 .

            Ymmärtääkseni lämpötila siinä senttimetrien kokoisessa palavassa ytimessä olisi paljon korkeampi kuin neutronitähden muissa osissa, eli kerran sytyttyään palaminen ylläpitäisi tarvitsemaansa lämpötilaa.

          5. Syksy Räsänen kirjoitti:

            Tuo artikkeli ei käsittele neutronitähtiä, vaan spekulatiivisia sähköheikkoja tähtiä.

          6. Pekka Janhunen kirjoitti:

            Jotka ovat alatyyppi neutronitähtiä.

  3. Markku kirjoitti:

    Onko tutimuksen näkökulmasta lupaavaa, että tämä neutronitähtitutimus ja havainnot femtoskopioneen
    ja pastoineen toisivat lisävaloa ”mikroskooppisen” ja ”makroskooppisen” maailman
    ymmärtämiseen jotain uutta?.
    Käsittääkseni kvanttimekaniikka ja maalaisjärki ovat ristiriidassa planeettamme edustamaltamme eliölajilta.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Ei, neutronitähtien tutkimuksesta ei ole odotettavissa läpimurtoa sen ymmärtämiseen, miksi kvanttimekaaninen maailma näyttää arkiskaalassa klassiselta. (Jos ymmärsin kysymyksen oikein.)

  4. Eusa kirjoitti:

    Hyvin korjailtu. Puoleensa vetäminen ja hylkiminen ei ole fysiikassa niin kauan riittävästi hallittua teoriaa kunnes gravitaation ja massan luonne ymmärretään kunnolla, eikös vain?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Tällä ei ole gravitaation ja massan luonteen kanssa mitään tekemistä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Puhetta ajasta

8.1.2018 klo 18.22, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Juttelen ensi viikon maanantaina 15.1. kello 18.00 Teatterikorkeakoulun alumniklubilla ohjaaja Leea Klemolan ja Helsingin piispa Teemu Laajasalon kanssa otsikolla Elämä ja henki – kauanko nyt on aikaa? Taide, tiede ja uskonto liikkeessä kohti uutta ajattelua. Keskustelua puheenjohtaa alumniyhdistyksen hallituksen jäsen Kirsikka Moring.

Puhun tiistaina 13.2. kello 18.00 Kirkkonummen komeetan tilaisuudessa ajasta ja aikamatkustuksesta fysiikan näkökulmasta otsikolla Teatterin kellosta mustien aukkojen syövereihin: mitä tiedämme ajasta ja aikamatkailusta?.

Tilaisuuksiin on vapaa pääsy.

10 kommenttia “Puhetta ajasta”

  1. Eusa kirjoitti:

    Ihanko tosissaan aikamatkailulle jotkin tutkijat näkevät mahdollisuuksia? Muitakin ikääntymisen lisäksi?

    Eihän avaruudessakaan voi vaihtaa liikkumistaan taaksepäin – jos jarruttaa ja kiihdyttää vastasuuntaan, avaruus on toinen, muuttunut, ellei muuten niin omalla kiihdyttämisellä kaareutettu toiseksi. Eikö aikaa eteen ja taakse voi ajatella entropian lisääntymisenä ja vähenemisenä?

    Olemme fiksautuneet Minkowskin kuvaukseen, vai emmekö olekaan?

  2. Pekka Janhunen kirjoitti:

    Monimaailmatulkinnassa menneisyyden muuttamisongelmaa ei näyttäisi olevan. Jos historiaan hyppää ja muokkaa sitä, se ei ole meidän historiamme vaan jokin muu haara. Haaran modifioiminenkaan ei ole ongelma koska jos on niin että monimaailmassa esiintyy kaikki mikä on voinut tapahtua, silloin nuo modifioidutkin haarat ovat jo siellä ja ovat niin ollen kelvollisia.

    Sitä en kyllä tiedä miten sinne historiaan voisi hypätä, monimaailmatulkinnassakaan.

  3. Erkki Kolehmainen kirjoitti:

    Jokainen voi käyttää aikansa miten haluaa, mutta minusta 15.1. keskustelun teemassa on jo sisään rakennettu virhe. Uskonto ei ole ollut koskaan halukas muuttumaan kohti uutta ajattelua. Todellinen uusi ajattelu hylkäisi Raamatun opin ja sitähän piispa ei voi tehdä, koska menettäisi samalla valtion tukeman virkansa. Syksy Räsänen voisi lukea ennen tilaisuutta prof. Yuval Noah Hararin ajatuksia uskonnoista ja mikä niiden muuttumiseen on vaikuttanut.

    1. Pekka Janhunen kirjoitti:

      Uskonnosta puheen ollen, minusta on niin että jos jonkin väitteen voisi periaatteessa osoittaa vääräksi, se kuuluu tieteeseen, jos ei, se kuuluu uskontoon. Jos taas väite on jo osoitettu vääräksi, se ei kuulu kumpaankaan eikä ole kiinnostava. Tällaisessa katsannossa tiede ja uskonto ovat komplementäärisiä ja keskenään kilpailemattomia tapoja jäsentää todellisuutta.

  4. Lentotaidoton kirjoitti:

    Olen toista mieltä. Ilmoitususkontoahan (jota suurin osa uskonnoista on) ei voi edes periaatteessa osoittaa vääräksi (ei siis ole falsifioitavissa). Ilmoitususkonto joko uskotaan tai ei uskota. Ei siis kuulu tieteeseen. Eikä ole kiinnostava.

    1. Pekka Janhunen kirjoitti:

      Minulle tuo kuulostaa siltä että olet samaa mieltä, vaikka sanotkin olevasi eri mieltä.

      1. Erkki Kolehmainen kirjoitti:

        Olen kanssasi samaa mieltä! 😉

      2. Lentotaidoton kirjoitti:

        ” Jos taas väite on jo osoitettu vääräksi,” Eli miten olet jo osoittanut vääräksi väitteen, jota ei voi periaatteessakaan osoittaa vääräksi? Riippumatta siitä olisiko se tiedettä tai uskontoa (tai mitä tahansa).

        Tieteen voi, uskonnon ei. Silloin ne eivät ole ”komplementäärisiä ja keskenään kilpailemattomia tapoja jäsentää todellisuutta.” Se oli pointti.

        1. Pekka Janhunen kirjoitti:

          Siis kolmenlaisia väitteitä: 1) mahdolliset ja falsioituvat (tiede), 2) mahdolliset ja ei-falsifioituvat (uskonto), 3) mahdottomat väitteet.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Aika-avaruuden atomit

29.12.2017 klo 17.34, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

1800-luvun lopulla havaintojen tarkkuus ylitti klassisen fysiikan pätevyysalueen rajat. Perustavanlaatuisten lakien etsintä haarautui kvanttifysiikkaan ja suhteellisuusteoriaan. Edellinen on johtanut kvanttikenttäteoriaan, joka kuvaa ainetta, jälkimmäinen yleiseen suhteellisuusteoriaan, joka kuvaa aika-avaruutta ja gravitaatiota. Niiden reittien pitäisi risteytyä, mutta toistaiseksi yhtymäkohtaa ei ole löydetty.

Kvanttikenttäteoria osataan kyllä (joten kuten) upottaa yleiseen suhteellisuusteoriaan, eli tiedetään miten käsitellä kvanttikenttiä kaarevassa aika-avaruudessa. Mutta vielä ei hahmoteta, miten aika-avaruutta itseään pitäisi kuvata kvanttifysikaalisesti, vuosikymmenten kiivaista yrityksistä huolimatta. (Kosminen inflaatio on poikkeus: se on fysiikan ainoa alue, missä aika-avaruutta on kuvattu kvanttikenttäteorian keinoin ja tehty ennusteita joita havainnot vastaavat. Mutta inflaatio rajoittuu hyvin yksinkertaiseen tapaukseen.) Toisin sanoen ei ole löydetty kvanttigravitaatioteoriaa, josta yleinen suhteellisuusteoria on approksimaatio, kuten Newtonin mekaniikka on approksimaatio kvanttimekaniikasta.

Muiden vuorovaikutusten tapauksessa kvanttiteorian löytäminen on helpompaa, koska niissä aika-avaruus on kiinnitetty, ajan kulku ja avaruuden muoto voidaan ottaa annettuna. Kvanttigravitaatiossa ei tulla valmiiseen pöytään, kaikki pitää tehdä alusta alkaen.

Yksinkertaisin tapa lähestyä tätä ongelmaa on tarkastella tilannetta, jossa gravitaatio on heikko eli aika-avaruuden kaarevuus on pieni. Näin on esimerkiksi silloin, kun tarkastellaan sitä, miten kappaleet näyttävät vetävän toisiaan puoleensa. (Esimerkkejä vastakkaisesta tapauksesta ovat mustat aukot ja maailmankaikkeuden laajeneminen.) Tällöin gravitaatiota voidaan käsitellä kuin kyseessä olisi kenttä annetussa aika-avaruudessa, ja siihen voidaan soveltaa samoja reseptejä kuin muihinkin kenttiin.

Ongelmaksi muodostuu kvanttikenttäteorian totalitaristinen periaate, jonka mukaan teoria sisältää kaikki mahdolliset tavat, millä kentät voivat vuorovaikuttaa. Yleensä näitä ei ole monta: esimerkiksi sähkömagnetismin kvanttikenttäversiossa, kvanttielektrodynamiikassa, fotonikenttä ja elektronikenttä voivat kytkeytyä toisiinsa vain yhdellä tavalla. Kun ei tarkastella kvanttifysiikkaa, yleisen suhteellisuusteorian rakenne on tarkkaan määrätty ja yksinkertainen. Kvanttiteoriaan siirryttäessä tämä kaunis yksinkertaisuus menee pilalle, ja teoriaan tunkee äärettömän monta erilaista tapaa, jolla gravitaatiokenttä vuorovaikuttaa itsensä ja muiden kenttien kanssa.

Mikä pahinta, tämä kvanttigravitaatioteoria ei kerro kuinka voimakas kukin näistä vuorovaikutuksista on, vaan se pitää määrittää kokeellisesti. Koska erilaisia vuorovaikutuksia on äärettömän monta, pitäisi tehdä äärettömän monta mittausta, jotta kaikkien voimakkuuden saisi selville, joten teoriasta ei voi ennustaa mitään, ja vaikuttaa siltä kuin sitä ei voisi käyttää mihinkään. On erilaisia ehdotuksia, miten päästä ulos tästä umpikujasta.

Kvanttiteorian vaatimien uusien vuorovaikutusten voimakkuus kasvaa aika-avaruuden kaarevuuden kasvaessa ja nykyään kaarevuus on pieni (muualla kuin mustien aukkojen lähistöllä), eikä niistä näy jälkeäkään. Niinpä jos teoria pitää paikkansa, uudet vuorovaikutukset ovat merkittäviä vain silloin kun kaarevuus on iso, esimerkiksi varhaisessa maailmankaikkeudessa (kenties inflaation aikana) tai mustien aukkojen lähettyvillä. Tällöin uudet vuorovaikutukset voidaan unohtaa kaarevuuden ollessa pieni ja keskittyä tunnetun gravitaatiovuorovaikutuksen kvanttikäyttäytymiseen.

Tällä tavalla voidaan laskea esimerkiksi kvanttigravitaatiokorjaus Newtonin painovoimalakiin. Muutos omenan putoamiseen Maan päällä on suuruudeltaan 10^(-83), mitättömän pieni jopa hiukkasfysiikan standardeilla. Vertailun vuoksi maailmankaikkeuden toisella laidalla 50 miljardin valovuoden päässä asustelevan muurahaisen (jos siellä olisi muurahaisia) vaikutus Maassa putoavaan omenaan on sata kertaa isompi.

Lähestymistavan puute on se, että se ei anna mitään osviittaa siitä, mitä tapahtuu, kun gravitaatiokentät ovat vahvoja (jolloin koko rakennelman toimivuus on muutenkin kyseenalainen).

Hieman kunnianhimoisempi ehdotus on se, että vaikka uusia vuorovaikutuksia on äärettömän paljon, niiden voimakkuudet liittyvät toisiinsa siten, että vain muutama niistä on riippumaton, loput määräytyvät niistä. Ajatuksena on, että gravitaation voimakkuuden kasvaessa teoriasta paljastuu tiukempi rakenne, jota ei näe heikkoihin kenttiin pidättäydyttäessä. Tätä asymptoottisena turvallisuutena (engl. asymptotic safety) tunnettua ideaa on tutkittu toistaiseksi vain pienellä joukolla uusia vuorovaikutuksia, eikä sen yleistäminen äärettömän monen vuorovaikutuksen tapaukseen ole suoraviivaista. Se näyttää kuitenkin toimivan yllättävän hyvin: kolmen vuorovaikutuksen voimakkuus riittää määräämään kymmeniä muita, aivan kuten odottaisi, jos idea pitää paikkansa.

Useimmat alan tutkijat kuitenkin arvelevat kvanttigravitaation ongelmien ratkaisemisen vaativan perustavanlaatuisempia muutoksia. Ei ole selvää, että kvanttigravitaatiota pitäisi edes alkaa etsiä aika-avaruudesta lähtien.

Esimerkiksi vettä kuvataan klassisessa fysiikassa jatkuvana nesteenä, jonka ominaisuuksia ovat tiheys ja paine. Mutta jos yrittäisi kehittää veden kvanttiteoriaa tutkimalla tiheyden ja paineen kvanttikäyttäytymistä, niin menisi metsään. Sen sijaan pitää hahmottaa, että vesi ei ole jatkuvaa, vaan koostuu atomeista, ja ymmärtää niiden kvanttikäyttäytyminen. Jatkuva aika-avaruuskin saattaa olla vain approksimaatio, ei perustavanlaatuista, ja ensin pitää löytää oikea tapa kuvata sen alla olevaa rakennetta, selvittää mitkä ovat aika-avaruuden atomit.

Suosituin ehdokas tähän on säieteoria. Siinä aika-avaruutemme ei ole perustavanlaatuinen. Joskus säieteoriaa kuvaillaan sanomalla, että se on teoria säikeistä, joiden värähtelyt vastaavat alkeishiukkasia ja vuorovaikutuksia (myös gravitaatiota). Hieman oikeammin voi sanoa, että se on teoria kahdessa ulottuvuudessa elävistä kentistä, jotka näyttävät toisen aika-avaruuden ulottuvuuksilta – idea, joka vaatisi pidemmän selityksen auetakseen.

Säieteoria on hienostunut rakennelma, joka –kuten vaatimattomampi asymptoottinen turvallisuus– toimii yllättävän hyvin. Säieteoria lähtee liikkeelle seuduilta, joilla ei ole oikeastaan mitään tekemistä tuntemamme yleisen suhteellisuusteorian kanssa, mutta päätyy suoraa reittiä näkemämme aika-avaruuden kaltaiseen rakenteeseen, antaapa vielä samaan hintaan suunnilleen oikeanlaisen hiukkasfysiikankin. Ongelmana ovat nuo sanat ”jokseenkin” ja ”suunnilleen”: ulottuvuuksia on kymmenen eikä neljä, aika-avaruuden kuvailuun liittyy yksi ylimääräinen kenttä, maailmankaikkeuden hiukkassisältö on pielessä ja niin edelleen. 80-luvulla monet odottivat, että säieteoriasta saataisiin muutamassa vuodessa johdettua kaikki tunnettu fysiikka ja kaiken teoria olisi valmis. Ongelmat osoittautuivat kuitenkin hyvin hankaliksi, eikä kukaan löytänyt kompassia, joka olisi osoittanut, mihin suuntaan pitää mennä. Jotkut ovat epätoivoissaan jopa julistaneet, että oikeaa ratkaisua ei ole olemassakaan.

Säieteorian tunnetuin kilpailija on silmukkakvanttigravitaatio (engl. loop quantum gravity). Se lähtee liikkeelle kotoisemmista maisemista. Yleisen suhteellisuusteorian aika-avaruutta voi kuvata eri tavoilla. Yksi niistä on Abtay Ashtekarin vuonna 1986 löytämät ja sittemmin hänen mukaansa nimetyt Ashtekarin muuttujat. Karkeasti sanottuna Einsteinin alkuperäisessä yleisen suhteellisuusteorian muotoilussa tutkitaan aika-avaruuden etäisyyksiä ja niiden muutosta ajassa, Ashtekarin muotoilussa keskitytään suuntiin ja kiertymiseen.

Yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa kyse on vain näkökulmaerosta, lopputulos on sama katsoopa asiaa kummalta kannalta tahansa. Silmukkakvanttigravitaation oivallus on se, että Ashtekarin muuttujia ei käytetäkään kuvaamaan yleisen suhteellisuusteorian jatkuvaa aika-avaruutta, vaan sen sijaan erillisiä pisteitä ja yhteyksiä niiden välillä.

Ajatuksena on, että aika-avaruus ei ole pohjimmiltaan jatkuva. Se näyttää meille jatkuvalta samasta syystä kuin vesi: osasten välinen etäisyys on paljon arkisia etäisyyksiä pienempi. Silmukkakvanttigravitaation tapauksessa tilanne on paljon monimutkaisempi kuin veden, koska aika-avaruuden ainesosien välissä ei ole mitään, missä mitata etäisyyksiä. Oikeammin voi sanoa, että ilmaisu ”aika-avaruuden ainesosien välissä” on merkityksetön, koska aika ja tila ovat olemassa vain aineosissa. Tämän takia on paljon vaikeampi osoittaa, että joukosta pisteitä saadaan approksimaationa kokonaisuus, joka näyttää jatkuvalta.

Siinä missä säieteoria kattaa luontevasti gravitaation lisäksi myös muita vuorovaikutuksia sekä hiukkaset, silmukkakvanttigravitaatio on rajoittunut aika-avaruuden ymmärtämiseen. Vaikka sitä voikin laajentaa hiukkasiin, ne eivät ole välttämätön osa pakettia, toisin kuin säieteoriassa. Silmukkakvanttigravitaatio ei siis lähtökohtaisesti ole kaiken teoria, eikä vielä ole varmuutta edes siitä, onko se oikea kvanttigravitaatioteoria.

Kenties suurin ongelma kvanttigravitaatioehdokkaiden kehittelyssä on se, että niihin liittyvät uudet ilmiöt ovat tyypillisesti kaukana nykyisten havaintojen ulottumattomissa. Kuten mainittua, inflaatio on poikkeus, mutta se on sen verta yksinkertainen tapaus, että se ei anna paljoa vihjeitä siitä, miten jatkaa eteenpäin. Inflaation synnyttämissä galaksien siemenissä ei näy yksityiskohtia taustalla oleva kvanttifysiikan yksityiskohdat ovat hautautuneet syvälle, mutta niitä voi kenties saada kaivettua näkyviin.

Muitakin mahdollisia kvanttigravitaation jälkiä on tutkittu, kuten Maapallolle miljoonien tai miljardien valovuosien päästä saapuvien korkeaenergisten hiukkasten matka-aikoja. Vaikka kvanttigravitaation vaikutus niihin on pieni, se saattaa kertyä matka-ajan myötä, ja miljardi vuotta on jo varsin pitkä aika koeaika. Toinen otollinen mahdollisuus on se, että mustien aukkojen horisontin läheisyydessä näkyisi kvanttigravitaation merkkejä. Pitkään tämä oli vain teoreettista pohdiskelua, mutta nykyään gravitaatioaallot tuovat viestejä mustien aukkojen horisonttien läheisyydestä harva se viikko. Monia muitakin ideoita on tutkittu, mutta mitään ei ole näkynyt; aiheesta kiinnostuneille voi suositella alan asiantuntijan Sabine Hossenfelderin blogia Backreaction.

Kvanttimekaniikkaa ei löydetty ennen kuin päästiin viime vuosisadan alun havainnoissa atomien mittakaavaan, missä kvantti-ilmiöt ovat tärkeitä. Kvanttifysiikan periaatteet ovat arkijärjelle niin vieraita, että kukaan tuskin olisikaan ehdottanut niiden kuvaavan todellisuutta, elleivät kokeet olisi siihen johdattaneet. Voi olla, että kvanttigravitaation periaatteiden löytäminen vaatii sekin mullistavia havaintoja, jotka pakottavat ajatukset uusille urille.

8 kommenttia “Aika-avaruuden atomit”

  1. Eusa kirjoitti:

    Nyt tuli hyvä kirjoitus! Ei heikkouksia, kiitos!

    Aihe eteni niin sujuvasti, että sain poimittua nyansseista uusia oivalluksiakin, ihanaa!

    Alkoi kiinnostaa kuinka voisi silmukkakvanttigravitaatiomaisesti hallita ”arki”realismista singulariteetit (mustat aukot) äärellisiksi, ei niinkään välttää big bang tms…

  2. Ei voi kuin ihmetellä kirjoitti:

    Kokoaa ja koostaa, vetää ja työntää, myötäpäivään ja vastapäivään. Tää on yhdestä mun runosta. Fysiikka on kiinnostavaa. Etsin yhtymäkohtia omaan ajatteluuni taitelijuuteni kautta. En vaan ymmärrä fysiikasta teoreettisesti paljoakaan.

    Fysiikka on taidettakin kauniimpaa.

  3. Erkki Kolehmainen kirjoitti:

    ”Vertailun vuoksi maailmankaikkeuden toisella laidalla 50 miljardin valovuoden päässä asustelevan muurahaisen (jos siellä olisi muurahaisia) vaikutus Maassa putoavaan omenaan on sata kertaa isompi.”

    Tyhmä kysymys: kuinka muurahainen voi olla 50 miljardin valovuoden päässä, jos maailman kaikkeuden ikä on 13.8 miljardia vuotta? Mutta jos alkuräjähdysteoria ei pidäkään paikkaansa, niin silloinhan muurhainen voisi olla vaikka 100 miljardin valovuoden päässä. Eräs kerettiläinen ajattelija onkin väittänyt, että koko Big Bang-teoria on vain kreationistinen huijaus.

    Kaiken kaikkiaan luulen, että jokin mystinen paradigma estää fyysikkoja löytämästä ulos tästä Räsäsen kuvaamasta labyrintista.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Ei tiedetä onko maailmankaikkeus äärellinen vai ääretön. Epätarkka ilmaus ”toisella laidalla” viittaa pisimpään etäisyyteen, jolta meille on ehtinyt tulla signaaleja. Jos maailmankaikkeus ei laajenisi, se olisi maailmankaikkeuden ikä kerrottuna valon nopeudella. Koska maailmankaikkeus laajenee, se on tätä isompi.

  4. Eusa kirjoitti:

    Voitko kuvailla silmukkakvanttigravitaation 2+1 -ulotteista AdS-yhteensopivaa ratkaisua ja kuinka se voisi olla sovitettavissa paikallisuuden konformaaliseen invarianssiin / suhteellisuuteen?

    Olisiko holografisesta periaatteesta yritettä ratkaisuksi?

    Tuntuisi, että ”avaruuden atomien” silmukoiden tulee olla ainerakenteeseen sitoutuneita silmukoita pitääkseen paikallisen fysikaalisen skaalan hallussa – onko jokaiselle liikekehykselle omanlainen suhteutettu solurakenteensa?

    Mittausten perusteella meillä kai ei ole mitään syytä ajatella jotain avaruuden hilaa erityisasemaan?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      En. Ei ole mitään havaintoja, jotka tukisivat sitä (tai sulkisivat pois sen), että aika-avaruus ei ole jatkuva, joten ei myöskään ole mitään tietoa siitä, millainen sen rakenne on, jos se ei ole jatkuva.

  5. Varahannu kirjoitti:

    Onko mielekästä puhua luokkaa 10E-83 olevasta gravitaatiosta? Jos kaikki muu on kvantittunutta, eikö myös gravitaation voimakkuus? Silloin pienin mahdollinen gravitaatiovaikutus vaatisi toteutuakseen että tuo muurahainen olisi varmaan paljon lähempänä.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Ei ole niin, että kvanttifysiikassa kaikki suureet muuttuisivat vain määräsuuruisissa erissä. (Silmukkakvanttigravitaatiossa niin tosin on.)

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kolmen sukupolven kuuntelijoita

14.12.2017 klo 22.03, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

LIGOn gravitaatioaaltolöydöistä annettiin viime sunnuntaina Nobelin palkinto Rainer Weissille, Barry C. Barishille ja Kip S. Thornelle. LIGO teki ihmiskunnan ensimmäisen suoran havainnon gravitaatioaalloista 14. syyskuuta 2015 ja julkisti sen helmikuussa 2016. Kahdessa vuodessa mustien aukkojen gravitaatioaalloista on tullut niin arkipäiväisiä, että en viitsinyt kirjoittaa viimeisimmästä havainnosta, joka julkistettiin viime kuussa.

Gravitaatioaaltodetektorit LIGO ja Virgo ovat päivitystauolla ja jatkavat entistä ehompina syksyllä 2018. Pian seuraan liittyy kaksi uutta tulokasta.

Intiaan on kaavailtu gravitaatioaaltodetektoria vuodesta 2009 lähtien. LIGOn menestys antoi suunnitelmille pontta: Intian hallitus hyväksyi INDIGO-projektin vain kuusi päivää sen jälkeen, kun LIGO ilmoitti ensimmäisestä havainnosta. INDIGOn on määrä aloittaa vuonna 2024. Siitä tulee tismalleen samanlainen kuin Yhdysvaltojen kahdesta LIGO-detektorista, ohjelmistoa myöten. Koska INDIGO on eri puolella Maapalloa ja osoittaa eri suuntaan, se helpottaa sekä gravitaatioaaltojen lähteen paikallistamista taivaalla että niiden polarisaation määrittämistä.

Japanilainen KAGRA on sikäli mielenkiintoisempi, että se on erilainen kuin muut havaintolaitteet. Idea on sama kuin muillakin: KAGRAssa on kaksi kolmen kilometrin pituista tunnelia, joissa kulkee valosignaali päästä toiseen ja heijastuu peilistä takaisin. Putkien signaalien eroa mittaamalla saadaan selville mahdollinen putkien pituuden muutos ja sitä kautta havaitaan, jos niiden läpi kulkee gravitaatioaalto. Rakentaminen alkoi vuonna 2012, KAGRA otti dataa ensimmäistä kertaa viime vuonna, ja nyt joulukuun alussa sen toiminnasta julkistettiin ensimmäinen artikkeli. Gravitaatioaaltoja ei vielä havaittu ja tarkoitus oli lähinnä testata järjestelmiä.

KAGRAssa on kaksi merkittävää eroa muihin detektoreihin nähden. Ensimmäinen on se, että sen tunnelien päässä olevat peilit jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä häiriöiden vähentämiseksi. Jäähdytystä ei kuitenkaan vielä vuoden 2016 testissä käytetty.

Toinen ero on se, että koko valtava laite on rakennettu maan sisään, Kamiokan kaivokseen, kilometrin syvyyteen Ikenoyama-vuoren huipusta. Tämä on myös Super-Kamiokanden koti. Vuosituhannen vaihteessa Super-Kamiokande-koe havaitsi neutriinojen muuttumisen toisikseen, mistä annettiin Nobelin palkinto vuonna 2015.

Gravitaatioaaltodetektorien täytyy olla äärimmäisen herkkiä havaitakseen pituuden muutoksia, jotka ovat suuruusluokkaa 10^(-21): tunnelien pituus muuttuu protonin tuhannesosan verran gravitaatioaallon kulkiessa niiden läpi. Vuoren sisällä on tukeva istua, maa tärisee paljon vähemmän kuin maanpinnalla. Maan lisäksi ilma häiritsee detektoreita: kun ilma liikkuu, sen gravitaatiokenttä muuttuu, minkä detektorit havaitsevat. Tämä häiriö on KAGRAn kohdalla pienempi, koska se on muita detektoreita kauempana ilmasta. Vuoren sisällä lämpötila on myös tasaisempi ympäri vuorokauden ja vuoden, mikä helpottaa instrumenttien pitämistä oikeassa lämpötilassa. Toisaalta KAGRAa häiritsevät maanalaiset vesivirrat, etenkin lumen sulaessa keväällä.

Detektorin sijoittaminen vuoren sisään myös vaikeuttaa sen parissa työskentelemistä, ja tunneleissa saa työturvallisuuden takia olla vain päiväsaikaan. Talvella vuorelle ajaminen voi olla hankalaa lumen ja jään takia, syksyllä taas sepelkarhut saattavat hyökätä ulkona viipyilevien tutkijoiden kimppuun. Muilla detektoreilla on toki omat ongelmansa: kuuleman mukaan toisen LIGO-laitteen putkea ovat paikalliset asukkaat ampuneet tuliaseilla.

KAGRAn on määrä tehdä ensimmäiset havainnot jäähdytetyllä instrumentilla vuonna 2019 tai 2020 ja saavuttaa vuonna 2022 sama herkkyys kuin LIGOn ja Virgon päivitetyt versiot ja INDIGO. Näitä kutsutaan toisen sukupolven gravitaatioaaltokokeiksi. Ensimmäisen sukupolven kokeita olivat alkuperäinen LIGO ja Virgo sekä vuodesta 2002 alkaen toiminut saksalainen GEO600, joiden herkkyys ei riittänyt havaintoon.

Kolmannen sukupolven kokeista pisimmällä on LISA. Se on nykyisiä detektoreita huomattavasti kunnianhimoisempi: LISAssa on määrä olla kolme satelliittia, jotka kiertävät Aurinkoa Maapallon kanssa. Satelliittien etäisyys toisistaan on 2.5 miljoonaa kilometriä. Miljoonakertainen koko tekee LISAsta paljon Maassa olevia detektoreita herkemmän. Samasta syystä se myös kuulee pidempiä aallonpituuksia eli pienempiä taajuuksia.

Nykyiset laitteet havaitsevat romahtaneista tähdistä syntyneiden mustien aukkojen törmäyksiä, LISA kuulee, miten galaksien keskellä olevat valtavat mustat aukot sulautuivat yhteen yli kymmenen miljardia vuotta sitten. LISA myös kuulee nykyisten detektorien kohteita vuosia ennen kuin ne pystyvät siihen. Musta aukko –parin lähettämän gravitaatioaallon taajuus on samaa suuruusluokkaa kuin se taajuus, millä ne kiertävät toisiaan. Mitä kauempana aukot kiertävät, sitä hitaammin ne liikkuvat, aivan kuten Aurinkokunnan planeetat. Kun aukot säteilevät gravitaatioaaltoja, ne lähestyvät toisiaan ja kiihdyttävät vauhtia. LISA pystyy näkemään suunnilleen Auringon massaisten mustien aukkojen lähettämät gravitaatioaallot vuosia ennen niiden törmäämistä, siinä missä nykyiset laitteet havaitsevat ne vain sekunteja ennen. LISA voi siis ennustaa, missä ja koska pienet mustat aukot törmäävät.

LISAn tähtäimessä on myös tyystin erilainen kohde, nimittäin maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin miljardisosan sadasosan aikana tapahtunut Higgsin kentän olomuodon muutos. Siinä syntyneiden gravitaatioaaltojen aallonpituus oli hyvin pieni. Sen jälkeen maailmankaikkeus on kuitenkin laajentunut yli tekijällä miljoona miljardia ja aallot ovat venyneet, aivan kuten valo. Niinpä niiden nykyinen aallonpituus sattuu LISAn haarukkaan, vaikka ei olekaan varmaa, ovatko ne niin voimakkaita, että LISA pystyy niitä havaitsemaan. Helsingissä Mark Hindmarsh ja David Weir tutkivat näitä gravitaatioaaltoja, ja LISAn kosmologiatyöryhmän seuraava kokous on Helsingin yliopistolla ensi kesäkuussa.

Haastavalla hankkeella on ollut vaikeuksia. Budjettileikkausten takia NASA vetäytyi projektista vuonna 2011. LISAn toteutuminen oli vaakalaudalla, ja siitä kaavailtiin halvempaa versiota eLISA (e niin kuin eurooppalainen). LIGOn menestyksen jälkeen NASA kuitenkin ilmoitti haluavansa takaisin mukaan, ja nyt LISA on taas Euroopan avaruusjärjestö ESAn ja NASAn yhteinen hanke.

LIGOn lisäksi LISAn purjeisiin on puhaltanut tuulta pilottiprojekti LISA Pathfinderin onnistuminen yli odotusten. Satelliittien säätäminen tai korjaaminen on hankalaa silloin kun se ei ole mahdotonta, joten kaiken täytyy toimia ensi yrityksellä, ja LISAn vaatima herkkyys asettaa isot vaatimukset. Niinpä joulukuussa 2015 laukaistiin kiertoradalle LISA Pathfinder, jonka tarkoituksena oli vain testata teknologiaa. Kaikki sujui erinomaisesti, ja jos kaikki jatkuu samaa rataa, LISAn kolmikko kohoaa kiertämään Aurinkoa vuonna 2034.

Myös Maahan suunnitellaan isompia detektoreita. Einstein Telescopea kaavaillaan maan alle KAGRAn tapaan, kymmenen kilometrin tunneleilla. Cosmic Explorer olisi kenties maanpinnalla, mutta neljä kertaa pidemmillä tunneleilla. Kumpikin on vielä suunnitteluasteella, eikä niiden toteutumista tai aikataulua tiedetä vielä. Varmaa on kuitenkin se, että nyt on otettu vasta gravitaatioaaltotutkimuksen alkuaskeleet.

23 kommenttia “Kolmen sukupolven kuuntelijoita”

  1. Terhi Virjonen kirjoitti:

    Kiitos, Syksy, tästä(kin) kirjoituksestasi. Kirjoituksesi ovat erittäin mielenkiintoisia ja myös tarpeellisia lukion fysiikan opettajalle, joka yrittää pysyä kärryillä uusimman tutkimuksen suhteen. Kiitos!

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Kiitos, mukava kuulla!

  2. Erkki Tietäväinen kirjoitti:

    Gravitaatioaaltojen havaitseminen ja tutkimus on tehtyjen ja suunniteltujen investointien sekä tutkijoiden palkitsemisen perusteella tarkasteltuna huikean merkittävää.

    Vaikka asiasta on jaettu paljon tietoa, tavalliselle tallaajalle sen ymmärtäminen on vaikeaa. Niinpä haluaisin saada selkokielisen vastauksen seuraaviin kysymyksiin:
    – Miksi gravitaatioaaltojen havaitseminen ja tutkimus on niin tärkeää?
    – Mitä tutkimuksen tuloksista pyritään oppimaan?
    – Mitä hyötyä gravitaatioaaltojen tutkimuksesta saadulla tiedolla pyritään saavuttamaan?

  3. PJ kirjoitti:

    Yksinkertaistetut esitykset LIGOn toimintaperiaatteesta (esim. wikipedia) sanovat, että ”Mittaus perustuu siihen, että molempiin sakaroihin ammutaan samanaikaisesti lasersäteet.Normaalitilanteessa molempien säteiden pitäisi palata täsmälleen samaan aikaan lähtöpisteeseensä.”.

    Tarkoittaako tämä, että peilien etäisyys signaalin jakopisteestä pitää olla protonin tuhannesosan tarkkuudella sama ja miten tämä on mahdollista rakenteellisesti toteuttaa?

    Jos taas niiden ei tarvitse olla yhtä pitkiä, niin millä tavalla laite havaitsee pituuden muuttumisen?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      LIGO ja muut vastaavat laitteet eivät mittaa pituutta, vaan pituuden muutosta.

      Hyvin pieniä pituuden (eli matka-aikojen) muutoksia on mahdollista mitata valon interferenssin avulla, tarkemmin esim. täällä: https://www.ligo.caltech.edu/page/what-is-interferometer

  4. Lentotaidoton kirjoitti:

    Hyvä ja selkeä esitys. Missä vaiheessa tulevat esiin Heisenbergin epämääräisyysrajat? Nythän tarkkuus on jo aivan älytöntä.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Heisenbergin epämääräisyysperiaate rajoittaa sitä, miten hyvin valoaaltojen vaihe ja amplitudi tunnetaan, mutta LIGOn interferenssikuvion kannalta tärkeää on vain vaihe. Amplitudille tietysti on jotain rajoituksia (esimerkiksi siitä paljonko peilit heiluvat ja lämpenevät), mutta en tiedä ollaanko lähellä epämääräisyysperiaatteen rajaa.

      Vähän tarkemmin täällä:

      http://ligo.org/science/Publication-SqueezedVacuum/index.php

      1. Lentotaidoton kirjoitti:

        Kiitoksia. Tuossahan tuo tuli sanotuksi: However, by using a crystal with non-linear optical properties, it is possible to prepare a special state of light where most of the uncertainty is concentrated in only one of the two variables. Such a crystal can convert normal vacuum to ”squeezed vacuum”, which has phase fluctuations SMALLER than normal vacuum! At the same time, the amplitude fluctuations are larger, but phase noise is what really matters for LIGO.

        1. Syksy Räsänen kirjoitti:

          Tämä epämääräisyyden pienentäminen yhdelle muuttujalle ja kasvattaminen toiselle on muuten sattumoisin avain siihen, että inflaation aikaisista kvanttivärähtelyistä (jotka toimivat kaiken rakenteen siemeninä) tulee melkein klassisen näköisiä. (Tästä ehkä toiste enemmän!)

  5. Kimmo Metso kirjoitti:

    Kiitoksia, hieno yhteenveto erittäin mielenkiintoisesta asiasta.

    Onko jo saatujen havaintojen pohjalta syntynyt/nähtävillä ihan uusia tutkimusalueita, jotka eivät olleet ennustettavissa metsästettäessä itse gravitaatioaaltoja?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Ei, toistaiseksi kaikki suunnilleen vastaa odotuksia.

      Se, että LIGOn näkemät mustat aukot olivat vähän odotettua isompia on antanut piristysruiskeen sen tutkimiselle, että pimeä aine koostuisi noin kymmenen Auringon massaisista mustista aukoista, mutta idea ei ole uusi.

      1. Eusa kirjoitti:

        Entä jälkikaiut?
        https://arxiv.org/pdf/1704.07175v3.pdf

        Eikös varsinaiseen gravitaatiotutkimukseen avaudu tutkimusalueita, kun useita hypoteeseja saadaan poissuljettua?
        https://arxiv.org/pdf/1711.07403.pdf

        1. Syksy Räsänen kirjoitti:

          Jotain uutta spekulaatiota toki on, kuten nuo kaiut (joille ei ole havainnoista mitään tukea), mutta en sanoisi niitä tutkimusalueeksi.

          Jälkimmäisen julkaisun (ja muiden vastaavien) merkityksestä kirjoitin täällä:

          https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/useiden-sanansaattajien-aikakausi/

          1. Eusa kirjoitti:

            https://arxiv.org/pdf/1612.00266

            Jotain evidenssiä datasta on havaittavissa, mutta sigmat eivät vielä riitä.

            https://dcc-backup.ligo.org/LIGO-T1700322/public

            Tällä hetkellä parannetaan suodatustunnisteita, joilla kaiut voisivat tulla luotettavasti esiin jo olemassa olevasta datasta. Itse inspiraalille viritetyt mallit, kun eivät palvele kaikuerottelua…

          2. Syksy Räsänen kirjoitti:

            Tuo data-analyysi on kiistanalainen. Mutta vaikka se olisi oikein, sen tilastollinen merkitys on niin vähäinen, että sana ”evidenssi” ei voi käyttää.

  6. Eusa kirjoitti:

    https://arxiv.org/pdf/1712.06517

    Saatiinkin jo uutta analyysia. Luotettavuus sille, että kaikuja löytyy, alkaa olla riittävä.

    Nousiko mahdollisuus, että mustan aukon olemus ja tapahtumahorisontti asettuvat aikaisempaa käsitystä kyseenalaisemmiksi?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Artikkelin analyysi, kuten aiemmat väitteet korrelaatiosta kohinan ja signaalin välillä (ks. https://www.quantamagazine.org/strange-noise-in-gravitational-wave-data-sparks-debate-20170630/) on kiinnostava, mutta on ennenaikaista päätellä siitä mitään fysiikasta.

      Artikkelissa ei väitetä, että kaikuja olisi löydetty, eikä sellaista johtopäätöstä voi vetää heidän analyysistään, vaikka se olisi täysin oikein.

      On syytä odottaa jatkotutkimuksia, erityisesti signaalin, kohinan ja instrumentin parhaiten tuntevalta taholta, eli LIGO/Virgo-koeryhmältä.

      Löytöjen tekemisestä ja tilastollisesta merkittävyydestä, ks.

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

      1. Eusa kirjoitti:

        Totta kai tulokset on mainittu alustavina ja tarvitaan useiden riippumattomien tutkimusryhmien tarkastelua, mutta evidenssi-sanaa paperissa viljeltiin koko lailla.

      2. Eusa kirjoitti:

        On hyvin inhimillistä, että on koodattu tunnistamaan juuri sellaisia signaaleja, joita on etukäteen simuloitu – jopa johdattelevaa karsimista suosien.

        Jos mustat aukot osoittautuvat ECOiksi, noille korrelaatiohälyille voi hyvinkin löytyä puolestaan tarkempi simulaatio…

  7. Eusa kirjoitti:

    Toinen linkkisi tuli leikepöydällesi väärästä kohdasta. 😉

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Kiitos, korjasin.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Moninainen yksinkertaisuus

30.11.2017 klo 20.07, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minulta kysyttiin erään julkisen puheen jälkeen voisiko nykyisiä fysiikan teorioita yhdistävä ja laajentava yhtenäisteoria olla niitä yksinkertaisempi. En tainnut osata antaa selkeää vastausta, koska yksinkertaisuus on monimutkainen asia.

Mikään tuleva yhtenäisteoria ei voi olla nykyisiä teorioita yksinkertaisempi siinä mielessä, että sen täytyy kattaa vähintään kaikki samat asiat kuin mitä ne pätevyysalueellaan onnistuneesti selittävät. Se voi kuitenkin olla sikäli yksinkertaisempi, että tunnetut asiat seuraavat pienemmästä määrästä oletuksia ja sopivat yhteen paremmin. Tarkemmin sanottuna teoriat voivat olla yksinkertaisia ainakin kahdella tavalla.

Ensinnäkin teoria voi olla yksinkertainen siksi, että sen matemaattinen rakenne on yksinkertainen. Esimerkiksi Newtonin mekaniikan voi muotoilla lukiomatematiikalla: funktiot, derivaatat, integraalit ja vektorit riittävät, mitään hankalampaa ei tarvita.

Toisekseen teoria voi olla yksinkertainen siksi, että sen matemaattisen rakenteen puitteissa tarvitaan vain vähän oletuksia ja eivätkä ne ole monimutkaisia. Newtonin mekaniikan sääntö siitä, miten kappaleet liikkuvat, on tässä mielessä yksinkertainen: kappaleen kiihtyvyys on verrannollinen voimaan. Tällainen laki ei ole Newtonin mekaniikan puitteissa monimutkainen.

Newtonin mekaniikka on kuitenkin sikäli monimutkainen, että se ei kerro, millaisia voimia on olemassa. Kappaleiden väliset vuorovaikutukset pitää erikseen keksiä tai kokeellisesti määrittää kaikille tutkituille tapauksille erikseen. Newtonin mekaniikan matemaattinen rakenne rajoittaa sitä, millaisia vuorovaikutukset voivat olla, mutta se jättää valtavasti valinnan varaa.

Syy siihen, että Newtonin mekaniikka ei ole yksinkertainen, on siis se, että sen matemaattinen rakenne ei ole tarpeeksi rajoittava.

Kvanttikenttäteorian tilanne on päinvastainen. Sen rakenne koostuu hienostuneesta matematiikasta, eikä sitä ole vieläkään muotoiltu matemaattisesti tyydyttävällä tavalla. Kvanttikenttäteorian täsmällinen määrittäminen on yksi Clay-instituutin matematiikan Millennium-ongelmista. Fyysikot ovat kuitenkin onnistuneesti käyttäneet kvanttikenttäteoriaa yli 60 vuotta (se onkin tarkimmin testattu teoria fysiikan historiassa) ja ovat yleisesti sitä mieltä, että sen rakenne ymmärretään tarpeeksi hyvin fysiikkaa silmällä pitäen.

Kvanttikenttäteorian matemaattinen rakenne on tiukka. Kun sen puitteissa valitaan sopiva symmetria ja hiukkassisältö, niin teoria määrää kaikki hiukkasten väliset vuorovaikutukset, ja yleensä niitä on vain muutama erilainen. Tässä mielessä kvanttikenttäteoria on yksinkertainen: teorian määrittämiseen riittää pieni määrä tietoa, kun yleinen rakenne on annettu.

Vaikka kvanttikenttäteoriassa on vähemmän oletuksia kuin Newtonin mekaniikassa, se pystyy kuvaamaan kaikkia Newtonin mekaniikan ilmiöitä (ja paljon muuta), koska sen hienostunut rakenne kehittää yksinkertaisista palikoista monimutkaisia kokonaisuuksia. Tätä voi verrata siihen, miten shakin yksinkertaisista säännöistä rakentuu monimutkaisia pelejä.

Voi sanoa, että monimutkaisuus on siirretty yksittäisten oletusten tekemisestä rakenteen kehittyneisyyteen. Tässä saavutaan kauneuden äärelle. Esteettisten arvioiden tekeminen on keskeinen osa rakenteiden valintaa, ja yksinkertaisuus kuuluu kauneuteen. Joskus sanotaan, että sellaiset fysiikan lait ovat kauniita, jotka selittävät mahdollisimman suuren määrän ilmiöitä mahdollisimman pienellä määrällä oletuksia. Tällä ei tarkoiteta oletuksia siitä, millainen matemaattinen rakenne on valittu, vaan valintoja rakenteen puitteissa.

Rakenteen valinta ja rakenteen sisällä tehdyt valinnat liittyvät toisiinsa. Joissakin suhteissa rakenne määrittää sen, millainen teoria on, toisissa se saa ohjaa valintoja siten, että jotkut vaihtoehdot näyttävät ilmeisiltä ja toiset oudoilta. Rakenteen valintaa puolestaan ohjaa esteettisten mieltymysten ohella se, miten rakenteet esitetään.

On erilaisia tapoja ilmaista sama matemaattinen rakenne. Erilaiset tavat sisältävät samat asiat, mutta kussakin asioiden suhteet näyttävät erilaisilta. Newtonin mekaniikalla, kvanttimekaniikalla, kvanttikenttäteorialla, suppealla ja yleisellä suhteellisuusteorialla on jokaisella oma kielensä, jolla ilmaistuna teoria näyttää yksinkertaiselta ja kauniilta.

Suppean suhteellisuusteorian alkeiden esittelyssä käytetään usein Newtonin mekaniikan kieltä. Tällöin sanotaan, että suppeassa suhteellisuusteoriassa oletetaan valon nopeuden olevan vakio. Tämä oletus tuntuu luonnottomalta ja tarpeettomalta. Jos suppean suhteellisuusteorian esittää sille ominaisella tavalla, aika-avaruuden kielellä, valon nopeus ei ole oletus vaan seuraus, ja teoria yhdistää Newtonin erillisen ajan ja avaruuden selkeämmäksi rakenteeksi. Aika-avaruuden puitteissa tarkasteltuna Newtonin mekaniikan jotkut irralliset piirteet seuraavat nyt yhdessä aika-avaruuden ominaisuuksista.

Samalla tavalla yleinen suhteellisuusteoria vaikuttaa Newtonin mekaniikan kielellä kuvattuna olevan täynnä kummallisia oletuksia, mutta kun sen kirjoittaa aika-avaruuden muotojen avulla, niin näkee, että kaikki seuraa kaarevuudesta.

Vastaavasti jotkut kvanttimekaniikan kummallisuudet ovat lineaarialgebran, kvanttimekaniikan luonnollisen kielen, avulla kuvattuina niin selkeitä, että niitä ei huomaa edes ihmetellä.

Nykyisten yhtenäisteorioiden valottama vastaus kysymykseen siitä, voiko tuleva yhtenäisteoria olla nykyisiä teorioita yksinkertaisempi on siis kahtalainen. Sen matemaattinen rakenne on varmasti monimutkaisempi, mutta tämän rakenteen puitteissa toivottavasti tarvitaan vähemmän oletuksia ja ne näyttävät vähemmän kummallisilta. Unelmana on, että lopullisessa teoriassa, kaiken teoriassa, ei tarvitsisi olettaa mitään, koska matemaattinen rakenne määräisi kaiken. Tämä olisi Murray Gell-Manin totalitaristisen periaatteen puhtain ilmaisu: mahdollista on vain se, mikä on pakollista.

5 kommenttia “Moninainen yksinkertaisuus”

  1. Eusa kirjoitti:

    Näkisin, että tässä yhteydessä on hyvä mainita rakenne-emergenssi. Yksittäisen hiukkasen teoria on yksinkertaisempi kuin hiukkasrakenteen. Vuorovaikutukset tuottavat uusia emergenttejä lainalaisuuksia.

    Noin periaatteessa vaikuttaisi, esim. Max Tegmarkin The Mathematical Universe -teeman mukaan, että kaikkeuden lainalaisuudet voisivat nousta parista hyvin yksinkertaisesta matemaattisesta lähtökohdasta, esim. diskreetin ja jatkuvan funktioituvuuden varioinnista.

    Ultimaattisin unelma kattavasta teoriasta on sellainen, jossa ei olisi ollenkaan oletuksia, vaan kaikki rakentuisi puhtaasta matematiikasta.

  2. 7v kirjoitti:

    estääkö matematiikka pimeän aineen muovautumisen kvarkeiksi?
    Kvarkithan kuvata tyhjiksi nykytiedon mukaan?

    Miksi opetaan että einsteinin yleinen suhteellisuusteoria kuvaa isojen asioiden liikkeitä kaikkeudessa vaikka hän oli tehnyt sen silloisen maailmankuvan koskien yhtä galaksia, omaamme?

    Estävätkö jotkut matemaattiset lait tämän kaavan laajentamisen koskemaan myös hiukkastason tapahtumia?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Kvarkit eivät koostu pimeästä aineesta.

      Yleinen suhteellisuusteoria kehitettiin enimmäkseen teoreettisten pohdiskelujen perusteella. (Einstein käytti Merkuriuksen radan poikkeamaa Newtonin teorian ennusteesta, mutta sen merkitys ei ollut ratkaiseva.) Sen pätevyysalue on kuitenkin osoittautunut hyvin laajaksi.

      Mikään yleisen suhteellisuusteorian matemaattisessa rakenteessa ei estä sen soveltamista mielivaltaisen pieneen mittakaavaan. Se ei kuitenkaan kuvaa hiukkasten käyttäytymistä, kahdesta syystä.

      Ensinnäkin, yleinen suhteellisuusteoria ei ole teoria aineesta, vaan aika-avaruudesta. Se ei siis käsittele sitä, miten hiukkaset käyttäytyvät,.

      Toisekseen, hyvin pieneen mittakaavaan mentäessä yleinen suhteellisuusteoria ei päde (aineesta riippumatta), ja se pitää korvata kvanttigravitaatioteorialla. Tätä ei kuitenkaan voi päätellä yleisestä suhteellisuusteoriasta käsin, ongelmana on vain se, että teoriassa ei ole mukana kvanttifysiikkaa.

      Ks. https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/maljan_jaljilla

  3. Cargo kirjoitti:

    Hyvä Syksy.

    Olisiko mahdollista, että ihmisten havaitsema aika-avaruuden jatkuva rakenne on vain faasitila, samoin kuin superkylmä jääkuutio, jossa ”paikka-alkiot” ovat erittäin lähellä toisiaan säännöllisessä hilarakenteessa?

    Fundamentaalisten paikka-alkioiden välinen geometria sekä dynamiikka määrää mitkä aika-avaruuden erilaiset kentät ovat mahdollisia ja miten ne käyttäytyvät. Ja jos aika-avaruuden faasitila muuttuu, niin erilaiset vuorovaikutukset ilmenevät eri tavalla eikä esim. atomeita voisi välttämättä muodostua.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Ajatus siitä, että aika-avaruus olisi diskreetti eikä jatkuva (jos ymmärrän kysymyksen oikein) on tiettyjen kvanttigravitaatioteorioiden lähtökohta. Ei vielä tiedetä, kuvaako tällainen idea todellisuutta.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Aika-avaruuden ainesosat

19.11.2017 klo 22.45, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pecha Kucha –esitykseni Higgs ja maailmankaikkeuden synty päättyi näin:

Higgs-inflaatiossa on sellainen erityispiirre, että Higgs kytkeytyy aika-avaruuteen poikkeuksellisella tavalla, niin että Higgs-inflaation jättämistä vihjeistä taivaalla, erityisesti inflaation aikana syntyneiden gravitaatioaaltojen jäljistä, on mahdollista päätellä mitkä ovat aika-avaruuden ainesosat. Yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka kuvaa aika-avaruutta, on nimittäin erilaisia versioita, emmekä tiedä mikä niistä on oikea: onko yleinen suhteellisuusteoria sellainen kuin sen muotoili Albert Einstein vuonna 1915, 1925, 1930, vai Abhay Ashtekar vuonna 1986, vai aivan muunlainen? Mutta tämän kertominen tarkemmin veisi meidät jo toiseen tarinaan.

Avaan nyt tätä tarinaa, joka kertoo yhdestä tämänhetkisestä tutkimuskohteestani.

Yleinen suhteellisuusteorian ydinajatus on se, että gravitaatio on aika-avaruuden ominaisuus. Vuonna 1915, jolloin Albert Einstein ja David Hilbert viimeistelivät tämän idean täsmällisen muotoilun, se oli täysin uudenlainen ja odottamaton suunta fysiikassa. Kaikkia aiemmin tunnettuja vuorovaikutuksia välitti jokin kenttä aika-avaruudessa, ja ensimmäiset yritykset gravitaation ja suppean suhteellisuusteorian yhteen saattamiseksi yrittivät kulkea samaa reittiä.

Tämä yleisen suhteellisuusteorian perusta todettiin pian oikeaksi ja hyväksyttiin laajalti, mutta Einstein ei levännyt laakereillaan. Ei ole mitään muuta gravitaatiokenttää kuin itse aika-avaruus, mutta mistä aika-avaruus koostuu?

Einstein ja Hilbert olivat lähteneet siitä oletuksesta, että aika-avaruuden kaikki ominaisuudet voi päätellä etäisyyksistä. Idea on helppo ymmärtää: jos tietää pinnan kunkin pisteen etäisyyden jokaisesta muusta pisteestä, tuntee sen muodon kokonaan. Esimerkiksi vuoren lisääminen tasaiseen pintaan kasvattaa vuoren eri puolilla olevien pisteiden etäisyyttä toisistaan suoraa reittiä pitkin mitattuna. (Sen erottaa tasaisen tilan lisäämisestä niiden välille se, että vuori ei kasvata sen ympäri kulkevan reitin pituutta.)

Kaikkien pisteiden etäisyyksiä toisistaan kuvaavaa suuretta kutsutaan nimellä metriikka. Jossain mielessä voi sanoa, että metriikka on se kenttä, joka kuvaa gravitaatiota, mutta toisin kuin vaikkapa sähkökenttä, se on erottamaton osa aika-avaruutta. Einsteinin ja Hilbertin alkuperäistä versiota kutsutaan yleisen suhteellisuusteorian metriseksi muotoiluksi.

Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika-avaruudella on kuitenkin enemmän rakennetta kuin vain etäisyydet, esimerkiksi suunnat. Niinpä teorian määrittämiseksi pitää kertoa, miten suunnat muuttuvat pisteestä toiseen siirryttäessä. (Eli, matemaattisesti ilmaistuna, miten otetaan derivaattoja vektoreista.) Tämän kertoo suure nimeltä konnektio.

Einsteinin ja Hilbertin versiossa suuntien muutokset seuraavat etäisyyksien muutoksesta (eli teknisesti sanottuna metriikka määrää konnektion). Periaatteessa etäisyyksien ja suuntien muutokset ovat kuitenkin toisistaan riippumattomia aika-avaruuden ominaisuuksia. Vuonna 1925 Einstein esitteli uuden version yleisestä suhteellisuusteoriasta, jossa ei oleteta niiden suhteesta mitään. Sittemmin Einstein laittoi idean Attilio Palatinin nimiin, ja nykyään se tunnetaan Palatinin muotoiluna. Tässä versiossa voi sanoa aika-avaruuden koostuvan metriikasta ja konnektiosta. Oleellista on se, miten aine vuorovaikuttaa aika-avaruuden kanssa. Jos aine ei vuorovaikuta suoraan konnektion kanssa, niin metriikka yksin määrää konnektion, ja tulos on sama kuin alkuperäisessä muotoilussa – ainakin jos metriikan ja konnektion vuorovaikutus on yksinkertaisin mahdollinen. Einstein päätyi tähän, ja tämän takia metristä ja Palatini-versiota joskus pidetään vain erilaisina tapoina kuvata samaa teoriaa.

Jos aine kuitenkin kytkeytyy suoraan konnektioon, niin tämä ei määräydy pelkästään metriikasta, vaan riippuu myös aineesta. Tällöin metrinen ja Palatini-versio ovat erilaisia teorioita: koska suunnat muuttuvat eri tavalla näissä teorioissa, niin aine liikkuu eri tavalla.

Suurin osa aineesta vuorovaikuttaa aika-avaruuden kanssa vain metriikan kautta (tai ainakin mahdollinen ero tästä on niin pieni, että sillä ei ole merkitystä). Higgs voi kuitenkin tehdä poikkeuksen. Teoria, jossa Higgsin kenttä on vastuussa kosmisesta inflaatiosta pohjaa siihen, että Higgs kytkeytyy metriikan lisäksi suoraan konnektioon. Tämä vaadittava poikkeuksellinen suora puheyhteys Higgsin ja konnektion välillä onkin syynä siihen, että idea keksittiin melko myöhään. Fedor Bezrukov ja Mikhail Shaposhnikov kehittivät Higgs-inflaation vasta 2007, yli 25 vuotta inflaation keksimisen jälkeen.

Jos Higgsin kenttä on vastuussa inflaatiosta, niin maailmankaikkeus laajenee ja Higgs kehittyy inflaation aikana eri tavalla riippuen siitä, kuvaako aika-avaruutta metrinen vai Palatini-versio yleisestä suhteellisuusteoriasta. Erityisesti Higgsin kvanttivärähtelyt eroavat toisistaan, joten niiden perilliset, kosminen mikroaaltotausta ja galaksien jakauma taivaalla, näyttävät nykypäivänä erilaisilta.

Suurin ero on inflaation synnyttämissä gravitaatioaalloissa. Palatinin tapauksessa gravitaatioaallot ovat paljon heikompia, kenties jopa siinä määrin, että niitä ei voida käytännössä koskaan havaita. Viimeksi turhan innokas BICEP2-koeryhmä ja Planck-tiimi ovat yrittäneet erottaa gravitaatioaaltojen sormenjälkiä kosmisesta mikroaaltotaustasta. Seuraavan sukupolven kokeista kaavaillaan noin sata kertaa tarkempia, mikä riittäisi Higgs-inflaatiossa syntyvien aaltojen havaitsemiseen metrisessä versiossa, mutta ei Palatinissa.

Toisin sanoen, jos oletetaan, että Higgs on vastuussa inflaatiosta, niin kosmisen mikroaaltotaustan mittaukset kertovat, mistä aika-avaruus koostuu: yksin metriikasta vaiko sekä metriikasta että konnektiosta.

On tietysti mahdollista, että inflaatiosta on vastuussa jokin muu kenttä kuin Higgs: ehdokkaita on satoja. Higgsin tarinassakin on vielä monia käänteitä. Yksi on se, että Higgs-inflaation tapauksessa sen luotettava laskeminen, miten kvanttikorjaukset vaikuttavat Higgsin kentän kehitykseen inflaation aikana, on osoittautunut lähes ylitsepääsemättömän vaikeaksi. Tähän tarvitaan jokin uusi oivallus, jotta tulokset voi ottaa täysin vakavasti. Toinen on se, että metrinen ja Palatini eivät ole ainoat versiot yleisestä suhteellisuusteoriasta. Vuonna 1930 Einstein kehitti kolmannen version, teleparalleelin gravitaation, joka Higgs-inflaation tapauksessa on taas uusi teoria, ei vain muotoilu.

Eikä yleisen suhteellisuusteorian kehittäminen loppunut Einsteiniin. Säieteorian jälkeen tutkituin ehdotus kvanttiteorian ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämiseksi, silmukkakvanttigravitaatio, perustuu Abtay Ashtekarin vuonna 1986 esittämään muotoiluun, jossa aika-avaruus ei pohjimmiltaan koostu metriikasta eikä konnektiosta vaan sittemmin Ashtekarin muuttujina tunnetuiksi tulleista perustavanlaatuisemmista palikoista. Higgs-inflaation tapauksessa tästä on seurauksensa, mutta silmukkakvanttigravitaatio ja Ashtekarin muuttujat olisivat taas kolmannen tarinan aihe.

6 kommenttia “Aika-avaruuden ainesosat”

  1. Eusa kirjoitti:

    Eikö nähdä Platini-tyypin muotoiluissa ongelmaa siinä, että energiatiheyden vaikuttaessa metriikasta riippumattomasti konnektioon, geodeesien kattavuus ei näyttäisi korreloivan kaarevuuksiin?

    Ikiliikkujan siemen?

    Luulisi, että jos ainepallo puristaa itsensä 1/10-halkaisijaan, lisääntynyt energiatiheys (paine) vaikuttaisi vain alkuperäisen halkaisijan sisällä, ei ulkopuolella. Mikäli pallo puristuukiin samalla uuteen muotoon (muu kuin pallo), silloin tietysti konnektiotkin varioivat metriikan mukana.

    Tulee vaikutelma, että muotoilemalla alkuperäistä yleistä suhteellisuusteoriaa toisenlaisen avaruusajan ehdoin, kärsitään perusperiaatteiden (mm. säilymislait, ekvivalenssiperiaate, symmetriat) noudattamisessa tappioita. Onko esim. Higgs-inflaatiossa paineita luopua diffeomorfismi-invarianssista vai parametrisoidaanko se säännönmukaisesti kuntoon eri muotoiluissa?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Kysymyksissä menee sekaisin sen verta monta erilaista asiaa, että tämä riittäköön tästä.

  2. Lentotaidoton kirjoitti:

    Räsänen: Jos Higgsin kenttä on vastuussa inflaatiosta, niin maailmankaikkeus laajenee ja Higgs kehittyy inflaation aikana eri tavalla riippuen siitä, kuvaako aika-avaruutta metrinen vai Palatini-versio yleisestä suhteellisuusteoriasta. Erityisesti Higgsin kvanttivärähtelyt eroavat toisistaan, joten niiden perilliset, kosminen mikroaaltotausta ja galaksien jakauma taivaalla, näyttävät nykypäivänä erilaisilta.
    Suurin ero on inflaation synnyttämissä gravitaatioaalloissa. Palatinin tapauksessa gravitaatioaallot ovat paljon heikompia, kenties jopa siinä määrin, että niitä ei voida käytännössä koskaan havaita. Viimeksi turhan innokas BICEP2-koeryhmä ja Planck-tiimi ovat yrittäneet erottaa gravitaatioaaltojen sormenjälkiä kosmisesta mikroaaltotaustasta. Seuraavan sukupolven kokeista kaavaillaan noin sata kertaa tarkempia, mikä riittäisi Higgs-inflaatiossa syntyvien aaltojen havaitsemiseen metrisessä versiossa, mutta ei Palatinissa.
    Toisin sanoen, jos oletetaan, että Higgs on vastuussa inflaatiosta, niin kosmisen mikroaaltotaustan mittaukset kertovat, mistä aika-avaruus koostuu: yksin metriikasta vaiko sekä metriikasta että konnektiosta.

    Muistamme hyvin BICEP2 sekoilut. Tämä työryhmähän (ja muutkin ilmeisesti yhdessä Planckin kanssa) jatkaa (turpiinkin saatuaan) työtään uusin ideoin/uusin vehkein. Tällä rintamalla on kuitenkin ollut hiljaista. Ovatko nämä ”seuraavan sukupolven kokeet” jo käynnissä? Eli onko mitään raportoitavaa?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Seuraavan sukupolven kokeista ei ole vielä tehty päätöstä. Kilpailussa ovat eurooppalainen Core, japanilainen LiteBIRD ja amerikkalainen PIXIE, mutta ne ovat vasta suunnitteluasteella. Tähtäimessä on mittausten aloittaminen 2020-luvun puolivälissä.

      Suurin ongelma ei ole tarpeeksi herkän detektorin rakentaminen, vaan Linnunradasta tulevien polarisoitujen mikroaaltojen mallintaminen ja puhdistaminen tarpeeksi tarkasti, jotta kosminen signaali saadaan näkyviin.

      BICEP2/Keck-ryhmä ja ehkä muutkin tekevät kyllä koko ajan hieman tarkempia mittauksia, ja Planckin lopullisen analyysin pitäisi tulla vielä tänä vuonna julki, mutta niiltä on odotettavissa vain pientä parannusta.

  3. Erkki Kolehmainen kirjoitti:

    Kiinallakin on varmaan sanansa sanottavana tässä kisassa. Kiinalla on tätä nykyä kaksi maailman tehokkainta tietokonetta.

    https://www.bloomberg.com/news/articles/2017-09-21/europe-is-designing-a-new-particle-collider-to-take-on-china

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Kiinassa ei tietääkseni ole valmisteilla koetta, joka mittaisi gravitaatioaaltojen vaikutusta kosmiseen mikroaaltotaustaan.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Hyödystä

31.10.2017 klo 16.27, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuin Eteläsuomalaisen osakunnan 112. vuosijuhlassa 14.10.2017 tieteen tiimoilta. Puhe meni jokseenkin näin.

Arvoisa inspehtori, kunniajäsenet, esolaiset, edustajat ja muut vieraat.

Ensinnäkin, kiitos vuosijuhlatoimikunnalle kutsusta puhujaksi tänne Eteläsuomalaisen osakunnan vuosijuhlaan numero 112.

Minua pyydettiin puhumaan siitä, miten kaikilla tieteenaloilla on annettavaa yhteiskunnalle.

Nykyään ei ole tavatonta kysyä, mitä hyötyä tästä tutkimuksesta tai tuosta tieteenalasta on, ja Helsingin yliopiston johtokin haluaa karsia tarpeettomina pitämiään oppiaineita.

Puhuessani viime viikolla Kajaanin Planeetan 30-vuotistilaisuudessa omasta alastani, kosmologiasta, eräs yleisön jäsen kysyi, yrittävätkö Suomen hallitus tai teolliset yhteistyökumppanit vaikuttaa tutkimuksen sisältöön. Saatoin vastata, että kosmologiassa olemme siinä onnellisessa asemassa, että tutkimuksemme on täysin hyödytöntä.

Kosmologiasta ei voi täysin päin ja puhtain sydämin luvata ainuttakaan teknologista sovellusta. Maailmankaikkeuden synnyn, kehityksen ja koostumuksen tarkempi tuntemus ei välttämättä anna meille enemmän särvintä leivän päälle, juomaa lasiin tai kissoja kännykkään.

Tähtitieteen, kosmologian, luonnontieteen kautta olemme kuitenkin oppineet, että taivas on samaa ainetta kuin maa ja yhtenäisten lakien alainen, ja taivaan takana on toisia maailmoja, lukemattomia; eivätkä tähdet ole reikiä jurtassa vaan naapuriemme aurinkoja, ja arjen yllä avautuu kaikkeus täynnä asioita, jotka eivät ole ihmeitä, koska ne ovat todellisia; mutta kammottavia ja kauniita ihmisen mitan yli.

Olemme saaneet selville, miten kaikki tämä on syntynyt sattumanvaraisista kvanttivärähtelyistä yli aikakausien joiden pituuksia ei voi inhimillisesti hahmottaa, mutta jotka silti tiedämme täsmällisesti kuin viisarien liikkeet. Olemme oppineet, miten ytimet, atomit, planeetat ovat kietoutuneet kasaan ja miten yhdestä itseään kopioivasta molekyyliketjusta on kehittynyt apinoita, kuten me ja serkkulajimme.

Luonnontiede on mullistanut käsityksen maailmankaikkeudesta –siis ympäristöstä, sanan laajimmassa merkityksessä–, asemastamme siinä ja siitä millaisia olemme: keitä me olemme ja mihin me kuulumme.

Arvoisat kuulijat, kaikki tämä on hyödytöntä, jos ymmärryksellä ei ole itseisarvoa.

Luonnontiede on toki mullistanut myös arkemme: muuttanut leivän, muokannut lasia ja mahdollistanut kännykän, usein lähtien tutkimuskysymyksistä, joilla ei ole ollut mitään ilmeisiä sovelluksia. Mutta vaikka tutkimalla maailmaa perustavanlaatuisimmalla tasolla opimme muokkaamaan sitä, kaikki ymmärrys ei auta manipuloinnissa.

Mutta jos maailman ymmärtäminen sinänsä on hyödytöntä, niin miten arvotonta onkaan ihmisten ymmärtäminen: ei vain sen setviminen, miten käsityksemme ovat muuttuneet maailman ovien auetessa luonnontieteen myötä, vaan koko historian, kielten, kulttuurien moninaisuuden laittamisessa järjestykseen ja valaisemisessa eri kulmista.

Kuinka hyödytöntä, kuinka turhaa, jos tarkoituksena on valjastaa terävin ajattelu ja kriittisimmät oivallukset tuottavuuden vaunuihin, vetämään nykyhetkeä eteenpäin, ottaen yhteiskunnan valmiina.

Arvoisat kuulijat, kaikki ympärillämme on ollut tuntematonta, kiistanalaista ja kiellettyä. Jos mennään Roomaan asti, sellaiset muotoseikat kuten housut miehillä, tai myöhemmin, housut naisilla, tai naiset yliopistolla, tai ihmiset jotka eivät ole naisia eivätkä miehiä, tai se, että voimme arvostella vallanpitäjiä ja vaatia muutosta.

Jos puhutaan hyödystä ja sovelluksista, niin muistettakoon miten eri alojen tutkimus tuo esille sen mikä on ollut ja on, osoittaa vaihtoehtojen moninaisuuden. Ymmärrys ohi tavanomaisuuden näyttää miten rajoitettuja ovat ne tarinat mitä kerromme toisillemme menneisyydestä, siitä mikä olisi voinut olla toisin ja minkä pitäisi olla toisin.

Kriittinen katsaus yhteiskuntaan auttaa riisumaan paljaaksi sen uskomuksen, että juuri me olemme saavuttaneet sivilisaation lopullisen tasangon, että nyt riittää toistaa nykyisyyttä ja hyväksyä ne tarinat, joita annamme kertoa itsellemme ja säännöt, joilla niistä tehdään totta.

Mitään ei ole naulattu paikoilleen: yhteiskunta toisaalla edistyy, toisaalla suistuu, ja meillä kaikilla on osa suunnan määrittämisessä.

Ikiaikaisena normina esitetyt asiat keksittiin eilen ja yhteisten sääntöjen avulla puolustetaan tekoja, jotka ovat sääntöjen vastaisia.

Tällaisista asioista on helppo puhua yleisesti, mutta ne saavat sisältöä, ja vastustusta, vain kun mennään esimerkkeihin.

Suomen perustuslaki kieltää lähettämästä ketään ihmisarvoa loukkaavan kohtelun alle, mutta valtiolla on kokonainen koneisto turvaa hakevien kanssaihmistemme karkottamiseksi vainoon.

Toisena esimerkkinä yhteiskunnan suistumisesta ja sanoinkuvaamattoman normalisoitumisesta mainittakoon se, että Suomi ruokkii tämän hetken pahinta inhimillistä katastrofia myymällä Jemeniä tuhoaville Saudi-Arabialle ja Yhdistyneille Arabiemiirikunnille aseita, vaikka EU:n sitovat asevientisäännöt kieltävät viennin, jos on riski, että aseita käytetään hyökkäykseen toista maata vastaan tai ne pidentävät konfliktia.

Näitä lain rikkomuksia puolustetaan paitsi vetoamalla lakiin, myös hyötyyn. Kaiken tämän perkaaminen ja ikkunan avaaminen uuteen suuntaan, josta saattaa näkyä pala kirkasta taivasta, sitä sen sijaan ei lueta hyödyn piiriin

Arvoisat yliopistolaiset, teillä –meillä– on erityinen mahdollisuus kyseenalaistaa näitä tarinoita ja tekoja, tulla kuulluksi, muuttaa suuntaa, sanalla sanoen olla hyödyksi kamppailussa sivistyksen edistämisestä.

8 kommenttia “Hyödystä”

  1. Mika kirjoitti:

    Hiukan sivuten puheen alkua, kuten kohtaa ”Helsingin yliopiston johtokin haluaa karsia tarpeettomina pitämiään oppiaineita”, onko mielestäsi olemassa sellaisia oppiaineita tai tutkimussuuntia, jotka olisivat ns. tarpeettomia tai turhia siinä merkityksessä, missä näitä sanoja populaarissa keskustelussa joskus käytetään? Tarkoittaen siis, että kyseiseen asiaan ei kannattaisi ”tuhlata” yhteiskunnan resursseja eivätkä ne kuuluisi yliopistolle.

    Ei tarvitse välttämättä nimetä sellaisia, mutta pidätkö edes mahdollisena, että tällaisia voisi (suomalaisissa) yliopistoissa esiintyä nyt tai tulevaisuudessa?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Populaarissa keskustelussa käsitys tutkimuksen turhuudesta on kaukana kriteereistä, jotka ovat tiedemaailmassa merkityksellisiä, ja käsitys hyödystä on usein kapea.

      Tämä ei tietenkään tarkoita sitä, etteikö tieteellisillä kriteetereillä arvioituna turhaa tai tarpeetonta tutkimusta olisi. Kokonaisten oppiaineiden ja tutkimussuuntien suhteen kysymys onkin vaikeampi, eikä sitä voi arvioida ilman tuntemusta ko. alasta. (Itse voisin kyseenalaistaa dogmatiikan tieteellisen arvon -sillä voi toki olla muita arvoja-, mutta asiaa pitäisi tarkastella tarkemmin kuin minun puutteellisten tietojeni pohjalta.)

      Mitä yliopiston johtoon tulee, se ei nähdäkseni ole tehnyt päätöksiään karsinnoista huolellisen harkinnan ja tieteellisten kriteerien pohjalta.

  2. Pekka Janhunen kirjoitti:

    Jos käyn läpi niitä asioita joista olen (tieteellisesti) kiinnostunut, niin huomaan että useimmissa tai ehkä jopa kaikissa niistä taustalla on hyöty – mutta usein hyvin pitkän ajan varsin spekulatiivinen hyöty. Esimerkiksi kosmologia on kiinnostavaa koska on hyödyllistä lajin säilymisen kannalta osata ennustaa miten maailmankaikkeudelle tulevaisuudessa tulee käymään. Tai astrofysiikassa gammapurkaukset ovat kiinnostavia koska jossain vaiheessa niiltä pitää ehkä osata suojautua. Jne.

  3. Erkki Kolehmainen kirjoitti:

    ”Itse voisin kyseenalaistaa dogmatiikan tieteellisen arvon.” Usein dogmatiikka liitetään teologiaan, mutta valitettavasti se pyrkii laajentamaan reviiriään myös tieteeseen. Silloin puhutaan paradigmasta, mikä tarkoittaa vain yhtä hyväksyttyä tapaa ajatella. Vaihtoehtoisen tavan esittäjät ovat kerettiläisiä, jotka joko vaietaan kuoliaaksi tai potkitaan pois yhteisöstä.
    ”Mitä yliopiston johtoon tulee, se ei nähdäkseni ole tehnyt päätöksiään karsinnoista huolellisen harkinnan ja tieteellisten kriteerien pohjalta.” Tästä olen ehdottomasti samaa mieltä, koska yliopiston tulisi olla suvaitsevainen ja antaa motivoituneille ihmisille mahdollisuus toimia ja yrittää murtaa vallitseva paradigma. Se on ainoa keino, jolla tieteellinen ajattelutapa ja maailmankuva muuttuu ja kehittyy.

  4. Sunnuntaikosmologi kirjoitti:

    Off-topic: Äskettäin ilmestyi vuoden 2017 Nobel-palkitun Kip S. Thornen ja Roger D. Blandfordin järkäle ”Modern Classical Physics; Optics, Fluids, Plasmas, Elasticity, Relativity, and Statistical Physics”

    Kuten otsikko lupaa, niin siinä on tukevana osana mukana Einsteinin suhteellisuusteoria.
    Minua hämmästyttää tuo käsitteiden sekoittaminen. Olen tottunut siihen että ”klassinen fysiikka” ehdottomasti sisältää Newtonin mekaniikan, Maxwellin kenttäteorian ja Boltzmannin jalostaman statistisen fysiikan.

    Ja yhtä ehdottomasti ”moderni fysiikka” alkaa siitä missä klassinen fysiikka lyö päätä seinään, eli kun kehään heitetään fysikaalisten suureiden kvantittuminen (Planckin vakion määräämällä skaalalla) sekä hiukkas-aaltodualismi, ja sitten toisaalla Einsteinin teoriat lähtien liikkeelle siitä että valon nopeus on universaali vakio.

    Kysymykseni on siis miten nykyään määritellään ”klassinen fysiikka” ? Alustavasti tuntuu aika onnettomalta jos vakiintuneita käsitteitä lähdetään sekoittamaan !

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Termiä klassinen käytetään yleensä kvattifysikaalisen vastakohtana, kuten epärelativistinen (tai newtonilainen) on relativistisen vastakohta.

      1. Sunnuntaikosmologi kirjoitti:

        Kyllä, noinhan se tosiaan usein sanotaan.

        Mutta silti hämmästelen että ”relativistinen” saadaan ”klassisen” käsitteellisen sateenvarjon alle. Mielestäni usein mielletään Newtonilainen = klassinen.

        1. Syksy Räsänen kirjoitti:

          Mainitsemasi Maxwellin sähkömagnetismi on relativistinen teoria, se on ristiriidassa Newtonin mekaniikan kanssa. Tuollaisen määritelmän mukaan se ei kuuluisi klassiseen fysiikkaan.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Useiden sanansaattajien aikakausi

21.10.2017 klo 15.11, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

LIGO/Virgo-tutkimusryhmällä pitää kiirettä. Syyskuun lopulla se ilmoitti uusimmasta havainnosta musta aukko –parin törmäyksestä syntyneistä gravitaatioaalloista. Kuusi päivää sen jälkeen Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia julisti Reiner Weissin, Barry C. Barishin ja Kip. S. Thornen saavan Nobelin palkinnon LIGOn havaintojen tiimoilta. Vajaa kaksi viikkoa myöhemmin, viime maanantaina, LIGO/Virgo tiedotti ensimmäisestä koskaan havaitusta neutronitähtien törmäyksestä. (Kommentoin asiaa tuoreeltaan Ylelle.)

Toisiaan kohti suistuvien tähtien synnyttämä gravitaatioaalto pyyhkäisi läpi Maan 17. elokuuta, vain kolme päivää syyskuussa ilmoitetun musta aukko –parin aikaansaaman aallon jälkeen. Tämä havainto neutronitähdistä on LIGOn toistaiseksi merkittävin löytö (LIGOn ensimmäistä gravitaatioaaltohavaintoa kenties lukuun ottamatta). Samalla se on paluu gravitaatioaaltohavaintojen juurille.

Gravitaatioaaltojen olemassaolo osoitettiin kokeellisesti ensimmäistä kertaa juuri toisiaan kiertävien neutronitähtien avulla. Vuonna 1974 Russell Hulse ja Joseph Taylor löysivät kaksoisneutronitähtijärjestelmän, joka on sittemmin nimetty heidän mukaansa. Seuraamalla näitä toistensa ympärillä vinhasti kieppuvia tähtiä huomattiin, että ne lähestyvät toisiaan, mistä voi päätellä niiden menettävän energiaa. Yleisestä suhteellisuusteoriasta voidaan laskea, millä tahdilla tähtien pitäisi lähettää energiaa mukanaan vieviä gravitaatioaaltoja, ja tulos vastaa havaintoja. Hulse ja Taylor saivatkin tästä Nobelin palkinnon.

Hulse-Taylorin neutronitähtiparin suhde on melko vakaa, ja kestää satoja miljoonia vuosia ennen kuin ne törmäävät. LIGO ja Virgo näki sen sijaan nyt havaitun parin elämän viimeiset 100 sekuntia, joiden lopussa ne tuhoavat toisensa väkivaltaisesti. Signaali oli voimakkain toistaiseksi nähty gravitaatioaalto, koska kohde oli kosmologisesti ottaen hyvin lähellä, vain 100 miljoonan valovuoden päässä.

Ei itse asiassa ole varmuutta siitä, olivatko molemmat parin jäsenet neutronitähtiä, mutta ainakin toinen luultavasti oli. Tämä on päätelty kahdesta seikasta.

Ensinnäkin molemmat kohteet olivat kevyitä: toisen massa oli noin yhden Auringon massan verran, toisen yhdestä kahteen. Tämä on oikea suuruusluokka neutronitähdille, kun taas tähtien romahduksesta syntyneiden mustien aukkojen odotetaan olevan raskaampia. Toisekseen, paljon tärkeämpää on se, että ensimmäistä kertaa nähtiin törmäykseen liittyvää sähkömagneettista säteilyä, niin näkyvää kuin näkymätöntäkin valoa.

Gravitaatioaallot saapuivat Maahan ensin, 1.7 sekuntia niiden jälkeen tuli gammasädepurkaus (eli korkeaenerginen sähkömagneettinen säteily), 11 tuntia sen jälkeen näkyvä valo, 9 päivän kuluttua röntgensäteet ja 16 päivää myöhemmin radioaallot. Mustien aukkojen törmäyksestä ei synny tällaisia signaaleja, joten ainakin toinen kappaleista oli neutronitähti (ellei sitten jokin toistaiseksi tuntematon vielä eksoottisempi kappale).

Siinä, että LIGO löysi gravitaatioaallot toissavuonna ei ollut mitään yllättävää; olisi hämmästyttävää, jos niitä ei olisi olemassa. Kuten olen maininnut, gravitaatioaallot ovat merkittäviä siksi, että ne avaavat aivan uuden kanavan maailmankaikkeuteen. Nyt julkistettu neutronitähtihavainto on ensimmäinen esimerkki tutkimustavasta, joka on saanut muodikkaan nimen multimessenger astronomy, suomeksi siis ”useiden sanansaattajien tähtitiede”, mikä tarkoittaa saman ilmiön havaitsemista erilaisia riippumattomia reittejä pitkin.

Gravitaatioaallot ja erilaiset sähkömagneettiset signaalit syntyvät törmäyksen ja siitä syntyneen jäänteen (joka saattaa olla neutronitähti tai musta aukko) kehityksen eri vaiheissa. Niinpä katsomalla taivasta eri signaalien avulla voi seurata tapahtuman eri vaiheita.

Erilaisten signaalien mittaaminen samasta kohteesta edellyttää tehokasta koordinaatiota. Ensimmäiseksi Fermi-satelliitti havaitsi gammasäteet ja lähetti ilmoituksen siitä 14 sekuntia myöhemmin. LIGO/Virgo huomasi kuuden minuutin kuluttua, että yhdessä heidän kolmesta detektoristaan oli signaali 1.7 sekuntia ennen gammasäteitä. Koska aika oli hyvin lähellä gammasäteiden tuloaikaa eli gravitaatioaalloilla luultavasti oli sama alkuperä, LIGO/Virgo lähetti 34 minuutin kuluttua hälytyksen tapahtuneesta, jotta kymmenet tutkimusryhmät ympäri maailmaa osasivat suunnata teleskooppinsa maan päällä ja avaruudessa sinne mistä gammasäteet olivat tulleet. Neljän tunnin ja 33 minuutin kuluttua LIGO/Virgo oli saanut analysoitua kaikkien kolmen havaintolaitteensa datan ja vahvisti, että gravitaatioaaltosignaali tuli samasta paikasta kuin gammasädepurkaus, vahvistaen, että ne ovat osa samaa tapahtumaa.

Gravitaatioaaltojen ja valon lisäksi tapahtumaa yritettiin nähdä myös neutriinojen avulla: Etelänavan alla oleva IceCube-detektori, Välimeren syvyydessä oleva Antares ja 3 000 neliökilometriä Argentiinan pampaa yli kilometrin korkeudessa kattava Pierre Auger –observatorio yrittivät kukin nähdä törmäyksen jälkeen syntyneissä hiukkasvirroissa syntyneitä neutriinoja, mutta niitä ei ilmeisesti syntynyt tarpeeksi, koska mitään ei havaittu. Tämäkin on hyödyllistä tietoa, koska se rajoittaa sitä, mitä törmäyksen jälkeen voi tapahtua.

Usean sanansaattajan tähtitiede mahdollistaa uudenlaiset tarkkuustestit, joita ei voi tehdä pelkästään yhdenlaisella signaalilla.
Yksi esimerkki on sellaisten mallien tutkiminen, missä maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista yritetään selittää muokkaamalla yleistä suhteellisuusteoriaa. Yleisessä suhteellisuusteoriassa valoaallot ja gravitaatioaallot kulkevat samalla nopeudella. Kun gravitaatiopuoleen lisää kaikenlaista kommervenkkiä, niin tämä muuttaa gravitaatioaaltojen kulkua, mutta ei valon (tai ainakin ne muuttuvat eri tavalla). Se, että valoaallot ja gravitaatioaallot saapuivat Maahan 1.7 s päässä toisistaan kuljettuaan 100 miljoonaa valovuotta tarkoittaa sitä, että niiden nopeudet voivat erota toisistaan vain sen verran kuin pari sekuntia eroaa 100 miljoonasta vuodesta, eli miljardisosan miljoonasosan verran. Tämä on niin tiukka raja, että se osoittaa vääräksi tämän kokonaisen luokan malleja kiihtyvän laajenemisen syistä.

Saman tyyppistä ideaa voi soveltaa myös yrityksiin korvata pimeä aine gravitaatiolain muutoksella. Tällaisissa malleissa tehdään jossain mielessä vastakkaisesti kuin kiihtyvän laajenemisen selityksissä: niissä muutetaan gravitaatiota siten, että aine ja valo liikkuvat eri tavalla, mutta gravitaatioaallot käyttäytyvät kuten ennen. Jotta mallit sopivat havaintoihin, niiden ennusteiden pitää olla hyvin samanlaiset kuin pimeän aineen, eli aine ja valo tuntevat isomman gravitaation kuin mitä pelkästään tavallinen aine synnyttää. Mitä voimakkaampi gravitaatiokenttä on, sitä hitaammin aika kulkee. Tällaisissa malleissa valo kulkee siis hitaammin kuin gravitaatioaallot. Yleisessä suhteellisuusteoriassa sen sijaan ne tuntevat saman gravitaatiokentän ja kulkevat siksi samalla nopeudella. Meidän ja neutronitähtiparin välissä oleva aine aiheuttaa kuukausien viiveen, mutta havaittu ero gammasäteiden ja gravitaatioaaltojen kulkuun on vain 1.7 sekuntia. Tästä voi päätellä, että tällaiset pimeää ainetta korvaavat mallit ovat väärässä, ainakin nykymuodossaan. Jos ne haluaa pelastaa, niitä pitää muokata siten, että myös gravitaatioaallot hidastuvat kuin pimeää ainetta olisi olemassa, mikä ei ole aivan yksinkertaista.

Jos havaitsijat työskentelivät kuumeisesti kun gravitaatioaaltosignaali jäi haaviin, niin teoreetikot ovat kiivaasti kirjanneet johtopäätöksiään ylös havainnon julkistamisen aikoihin. Ensimmäiset teoreettiset artikkelit laitettiin nettiarkisto arXiviin samana päivänä kun havainnot julkistettiin (jotkut jopa ennen julkistamista), huhujen levittyä laajalle. Olen par’aikaa vierailulla Oxfordissa, ja täällä työskentelevä Pedro Ferreira ja hänen yhteistyökumppaninsa aloittivat muokatun gravitaatiolain mallit vääräksi osoittavan artikkelin tekemisen perjantaina ja saivat sen valmiiksi maanantaina, laittaen sen arXiviin kaksi tuntia ja kolme minuuttia LIGO/Virgon lehdistötilaisuuden alkamisen jälkeen. Samaa asiaa käsittelevät kahden muun ryhmän hyvin samanlaiset artikkelit laitettiin arXiviin 13 ja 53 minuuttia myöhemmin, ja ne kaikki ilmestyivät tiistaina.

LIGO/Virgo ja muut havaintoja tehneet ryhmät olivat sikäli ihailtavan hillittyjä, että ne julkistivat tuloksensa vasta niiden käytyä läpi vertaisarvioinnin, toisin kuin gravitaatioaaltoja löytäneensä luullut BICEP2-ryhmä vuonna 2014.

Näillä havainnoilla voi tehdä paljon muutakin, esimerkiksi mitata maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta ja asettaa rajoja neutronitähtien mahdolliselle pimeästä aineesta muodostuvalle ytimelle. Data-analyysi jatkuu, ja päivitystauolla olevat LIGO/Virgo käynnistyvät ensi vuonna entistä ehompina. Perustavanlaatuista fysiikkaa luotaavien havaintojen kärki on siirtynyt maanalaisista hiukkaskiihdyttimistä taivaan katsomiseen. LIGO/Virgon artikkelin sanoin: ”Alle kaksi vuotta gravitaatioaaltotähtitieteen ensi-illasta [nyt havaittu aalto] GW170817 merkitsee uusien löytöjen aikakauden alkua.”

26 kommenttia “Useiden sanansaattajien aikakausi”

  1. Sunnuntaikosmologi kirjoitti:

    Onko tässä gravitaatiotähtitieteessä mitään mainittavaa suomalaisen tiedeyhteisön edustusta ?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Gravitaatioaaltojen osalta ei. Gravitaatioaallot synnyttäneen tapahtuman havaitsemisessa sähkömagneettisen säteilyn avulla ollaan mukana Tuorlan observatoriosta.

  2. Eusa kirjoitti:

    Merkittävä falsfioituminen tuo, että massakenttä ja gravitaatio ovat ekvivalentteja ja muu teoreettinen lähtökohta voidaan unohtaa.

    Onko tiedossa muunnetun gravitaation teorioita, joissa massaa generoituu muuten kuin ainehiukkasin eli massakenttää muodostuu samalla kuin lisägravitaatiotakin, esim. hiukkasta laajempina resonaatioina?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      En kirjoittanut, että ”massakenttä ja gravitaatio ovat ekvivalentteja”. En tiedä mitä tarkoitat massakentällä.

      1. Eusa kirjoitti:

        Tarkoitan massakentällä, että gravitaatiokenttä on vain hitaan energian eli massan manifestaatio, ei jonkin muun gravitaatiofunktion, esim f(R) tai f(T).

        Voitko vastata kysymykseeni?

        1. Syksy Räsänen kirjoitti:

          En ymmärrä kysymystä. Niin yleisessä suhteellisuusteoriassa kuin muokatuissa f(R)-gravitaatioteorioissa gravitaation lähteenä toimii energiatiheys, paine, energiavirta ja anisotrooppinen stressi, ei massa. Termi ”massakenttä” ei kuulu gravitaatioteorioiden sanavarastoon. Hitaudella ei ole asian kanssa mitään tekemistä.

          Nyt tehdyt havainnot eivät sulje pois f(R)-teorioita. Myös niissä teorioissa, jotka ne osoittivat vääriksi, gravitaation lähteenä toimivat yllä mainitsemani aineen ominaisuudet.

          1. Eusa kirjoitti:

            Olen joihinkin kuvailemiini eksoottisen massamekanismin ideoihin törmännyt, nyt löysin mm. tällaisen: https://arxiv.org/pdf/1605.05763

            Massakenttä on oma muistiinpanotermini muistuttamaan siitä, ettei suoraviivainen energiavirta nopeudella c gravitoi (vain emissio ja absorptio muuttavat gravitaatiota):

            https://arxiv.org/pdf/1511.01023

            Ekvivalenssiperiaatteen olen ymmärtänyt niin, että inertiaalisuus ja gravitoivuus ovat energiasisällön sama ominaisuus.

          2. Syksy Räsänen kirjoitti:

            Tässä menee sekaisin monta eri asiaa. Tämä riittäköön tästä.

          3. Eusa kirjoitti:

            Tämän havainnon poissulkevuudesta ymmärsin niin, ettei kyse ole gravitaation lähteestä sinänsä vaan siitä, ettei gravitaation voimakkuus voi poiketa juurikaan siitä mitä yleisen suhteellisuusteorian aine-yhdistelmän eli jännitys-energia-liikemäärä-tensorin mukaan avaruusaika kaareutuu, ei esim. lineaariseen etäisyyteen perustuvia lusätermejä, vai?

            Siksi tarvitaan aitoa pimeää massaa, ei korjaustermejä tunnetuille massoille…

          4. Syksy Räsänen kirjoitti:

            Ei, havainto ei rajoita gravitaatiokentän ja massan suhdetta mainitsemallasi tavalla, vaan sitä miten gravitaatiokenttä vaikuttaa aineeseen ja gravitaatioaaltoihin.

  3. Eusa kirjoitti:

    Tulkitsin Baker, Bellini, Ferreira et al -paperista, että havainto poissulkee nimenomaan bigravitaation ja tukee GR-monogravitaatiota, mutta antaapa olla tästä sen enempää.

    Sen sijaan kiinnostaa näkemyksesi tuosta 1,7 sekunnin viiveestä – pidätkö todennäköisempänä viiveen syyksi gamma-aaltojen irtoamista neutronitähtien törmäysalueelta vapaaseen avaruuteen tuon verran myöhemmin vai eron syntymistä matkan aikana?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Bigravitaatio on taas eri asia.

      Gammasäteiden ja gravitaatioaaltojen syntyajassa odotetaan olevan ainakin tuon suuruinen ero, joten ei ole mitään tarvettaa syyttää siitä matka-aikojen eroa. On tietysti periaatteessa mahdollista, että matka-ajoissakin on samansuuruinen ero, tai että syntyajoissa on isompi ero, jonka iso ero matka-ajoissa kumoaa, mutta se olisi melkoinen sattuma.

      1. Eusa kirjoitti:

        Täysin samoin arvelen, ettei matkalla synny eroja. Tästä saatanee lisää vertailudataa, kun havainnointi jälleen käynnistyy ensi vuoden puolella…

  4. Erkki Kolehmainen kirjoitti:

    ”Gravitaatioaallot saapuivat Maahan ensin, 1.7 sekuntia niiden jälkeen tuli gammasädepurkaus (eli korkeaenerginen sähkömagneettinen säteily), 11 tuntia sen jälkeen näkyvä valo, 9 päivän kuluttua röntgensäteet ja 16 päivää myöhemmin radioaallot. Mustien aukkojen törmäyksestä ei synny tällaisia signaaleja, joten ainakin toinen kappaleista oli neutronitähti (ellei sitten jokin toistaiseksi tuntematon vielä eksoottisempi kappale).”

    Minusta tässä järjestyksessä ei kaikki natsaa? Röntgensäteet ovat energeettisempiä kuin näkyvä valo, mutta miksi ne saapuvat valon jälkeen?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Ks. vastaus Janne Karin kysymykseen alla.

  5. Janne Kari kirjoitti:

    Avaatko vielä Syksy hieman sitä, miksi näkyvän valon havaitsemiseen meni tunteja (ilmeisesti näkyvä valo syntyi ”hitaasti” tapahtuman seurauksena”)?

    Entä mikä selittää röntgensäteiden ja radioaaltojen päiviä kestäneen saapumisviiveen, kun maallikon mielestä ”kaikki” sähkömagneettisen spektrin jaksot liikkuvat samalla valonnopeudella?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Kaikki sähkömagneettiset aallot tosiaan liikkuvat tyhjössä samalla nopeudella.

      Tekstistä:

      ”Gravitaatioaallot ja erilaiset sähkömagneettiset signaalit syntyvät törmäyksen ja siitä syntyneen jäänteen (joka saattaa olla neutronitähti tai musta aukko) kehityksen eri vaiheissa. Niinpä katsomalla taivasta eri signaalien avulla voi seurata tapahtuman eri vaiheita.”

  6. Lentotaidoton kirjoitti:

    ”Gravitaatioaallot ja erilaiset sähkömagneettiset signaalit syntyvät törmäyksen ja siitä syntyneen jäänteen (joka saattaa olla neutronitähti tai musta aukko) kehityksen eri vaiheissa. Niinpä katsomalla taivasta eri signaalien avulla voi seurata tapahtuman eri vaiheita.”

    Tämä selvää. Koska ja miten voimme tietää oliko tuloksena neutronitähti vai musta aukko? Vai meneekö siihen todennäköisesti vuosia/vuosikymmeniä? Mustan aukon neutriinojen mahdollista havaitsemista vaikeuttanee kohteen kaukaisuus allaolevaan verrattuna. Nythän itse kohde lienee selvä.

    Vaikka onkin eri asia niin eihän SN 1987A:stakaan tiedetä (vielä) mitä jäi jäljelle. Neutronitähti (pulsari) tai myöhemmän materiaaliputouksen ansiosta syntynyt musta aukko.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Tässä nimenomaisessa tapauksessa lopputuloksen päätteleminen vaatisi nykyistä parempaa teoreettista ymmärrystä neutronitähtien törmäyksistä. (Tai sitä, että olisi saatu enemmän dataa: esimerkiksi mustat aukot ja neutritähdet lähettävät erilaisia gravitaatioaaltoja asettuessaan aloilleen törmäyksen jälkeen, mutta sellaisia aaltoja ei tällä kertaa havaittu.) Kun neutronitähtien törmäyksiä nähdään lisää, ymmärrys varmasti paranee. Kuinka nopeasti tämä tapahtuu, sitä en osaa sanoa, riippuu siitäkin, kuinka usein niitä nähdään.

  7. Sunnuntaikosmologi kirjoitti:

    Mainitsit että gravitaatiofysiikan tutkijat Oxfordissa kirjoittivat artikkelin heti viimeisimmän LIGO:n tuloksen jälkeen, ja laittoivat sen arXiv:iin mielettömällä kiireellä (normaaliin julkaisukäytäntöön nähden). Miksi tarkalleen moinen kiire ? Väistämättä kovin kova tahti syö laatua. Onko syynä sitaatiotilastot ja siis h-indeksistä huolehtiminen, vai miksi ?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Kiire johtuu siitä, että kun tulee uutta sykähdyttävää dataa tai teoreettisia väitteitä, niin kaikki ryntäävät niiden kimppuun. Suunnilleen samaan aikaan ilmestyi samasta aiheesta kolme muutakin artikkelia. Ne kaikki käsittelivät asioita, jotka kirjoittajat jo tunsivat, mutta joista havaintojen avulla saattoi tehdä uusia johtopäätöksiä.

      Olen itsekin kerran tehnyt artikkelin neljässä päivässä (mitattuna siitä kun laitoin kynän paperiin laskuja varten siihen kun lähetin sen arXiviin).

      1. Sunnuntaikosmologi kirjoitti:

        Joo, jos ilmestyy jotain sykähdyttävää niin siitä luonnollisesti seuraa että (melkein) kaikki alan tutkijat ryntäävät sen aiheen kimppuun.

        Mutta miksi tarkalleen tuo tunneissa laskettava kiire julkaista ? Onko syynä se, että on niin tärkeätä saada ensimmäisenä sanottua asiansa, vaikka aikaero seuraavaan joka sanoo suunnilleen saman asian on laskettavissa tunneissa tai päivissä ?

        1. Syksy Räsänen kirjoitti:

          Se, joka ylittää maaliviivan ensimmäisenä on voittaja.

          arXiv laittaa artikkelit julki kerran päivässä (paitsi viikonloppuisin), samana päivänä laitettuja pidetään samanaikaisina, mutta seuraavana päivänä tullut artikkeli on jo myöhempi (siinähän voi käyttää julkitullutta artikkelia hyväksikin).

  8. Sunnuntaikosmologi kirjoitti:

    Syntyykö mahdollisesti havaittavia gravitaatioaaltoja supernovaräjähdysten yhteydessä ?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Kyllä, ei tosin ole varmaa ovatko ne tarpeeksi voimakkaita LIGO/Virgolle. Kirjoitin niistä ja muista mahdollisista tulevista kohteista hieman täällä:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/isoja-aukkoja-nopeita-rajahdyksia-ja-pienia-vuoria/

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Totuus, tiede ja toiminta

9.10.2017 klo 21.40, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehteen Rihveli 2/2017 kolumnin ”Totuus, tiede ja toiminta” faktoista tieteessä ja politiikassa. Arvostelen siinä mm. huhtikuun tiedemarssia, jossa itsekin puhuin. Kolumni on lehden sivuilla 6-9 ja alkaa näin:

On tullut tavaksi sanoa, että elämme ”totuuden jälkeistä aikaa”, jossa tosiseikat hukkuvat valheiden mereen. Selkeimpänä tapauksena esitellään Yhdysvaltojen nykyistä hallitusta, jonka kärkimies Donald Trumpilla on tosiaan erikoislaatuinen suhde faktoihin. Tilanne on kirvoittanut vetoomuksia ja tempauksia sen puolesta, että päätöksenteko pohjaisi enemmän tutkimustietoon, yhtenä niistä huhtikuun tiedemarssi.

2 kommenttia “Totuus, tiede ja toiminta”

  1. Pekka Janhunen kirjoitti:

    Olen samaa mieltä Rihveli-kirjoituksen kanssa. Tosin lisäisin että olen törmännyt tieteessä myös ”urbaaneihin legendoihin” eli uskomuksiin joille ei ole perusteita mutta joita toistetaan vuosikymmenestä toiseen, ilman että on selvää oliko taustalla alunperin joku arvovaltainen hahmo.

    Tyypillinen esimerkki tästä on urbaani legenda siitä että aurinkotuuli veisi planeetan ilmakehän mukanaan ellei magneettikenttä ole planeettaa suojaamassa. Legendasta on vähän eri versioita, joskus puhutaan vedestä, joskus vain Marsista, ja yhdessä variantissa väitetään että Maan elämä tarvitsisi magneettikentän tarjoamaa säteilysuojaa.

    Aurinkotuulen aiheuttama ilmakehän pako on mitattu avaruusluotaimilla, lukuarvo on samaa luokkaa Venukselle, Maalle ja Marsille, ja se on geologiselta kannalta pieni. Väitteessä että Marsin ilmakehä olisi ohut koska aurinkotuuli on sen vienyt, on lisäksi sellainen looginen ongelma että se ei selitä miksi prosessi olisi loppunut juuri vähän ennen kuin ilmakehä loppuu kokonaan.

  2. Eusa kirjoitti:

    Sekoittaminen on ajallemme tyypillistä. Uutisoinnissa hämärtyy milloin on kyse hypoteesista, matemaattisesta teorialöydöstä, todennetusta lainalaisuudesta tai vajaan luotettavuuden mittauksesta.

    Keskimääräiselle uutiskuluttajalle harva tiedeuutinen saadaan annettua ulos niin, ettei sitä sekoitettaisi ns. faktaan.

    Tällä ei tosiaan olisi suurtakaan merkitystä tieteenteon kannalta, mutta kun tutkijoistakin useimmat altistuvat jonkinasteiselle vahvistusharhalle…

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Higgs ja maailmankaikkeuden synty

30.9.2017 klo 12.51, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Pidin eilen Tutkijoiden yössä Fyysikkoseuran 70-vuotistapahtumassa Pecha Kucha –puheen. Puheeseen kuuluu 20 kuvaa, joista jokainen näkyy 20 sekuntia. Kuvien vaihtumisen vaikutelma tuskin välittyy tekstin sekaan laitettuna, joten jätän ne pois (yhteen niistä minulla taitaakin olla oikeudet vain esitykseen, ei www-sivuille). Mutta puheen sanat olivat jokseenkin seuraavanlaiset.

Fundamentaalinen fysiikka luotaa todellisuutta perustavanlaatuisimmalla tasolla. Tällä hetkellä on päästy siihen, että on kaksi pilaria, joihin kaikki periaatteessa nojaa. Yksi pilari on kvanttikenttäteoria. Sen tärkein osa on hienosyinen, vakaa ja kaunis rakenne jolle on annettu yhtä aikaa vaatimaton ja suureellinen nimi: Standardimalli. Kaikki mitä Maapallolla on, ja mitä tahansa täällä tapahtuu (gravitaatiota lukuun ottamatta) noudattaa Standardimallin sääntöjä.

Standardimalli on saavutuksena vähintään yhtä merkittävä kuin ihmiskunnan mikään arkkitehtoninen tai teknologinen rakennelma. Se kuitenkin eroaa niistä siten, että Standardimallia ei ole rakennettu, vaan se on löydetty. Fysiikka on todellisuuden arkeologiaa, jossa pyramideja ei kaiveta esiin menneisyyden hiekasta, vaan arkisen kokemuksen alta.

Standardimallin viimeinen pala saatiin paikalleen vuonna 2012, kun CERNin LHC-kiihdyttimen haaviin jäi Higgsin hiukkanen. Higgsin hiukkanen on tihentymä Higgsin kentässä, joka täyttää avaruuden ja antaa massat muille hiukkasille.

Nyt kun Higgsin hiukkanen on löydetty ja sen ominaisuudet on mitattu, niin Standardimallista tiedetään periaatteessa kaikki. Kiihdyttimillä etsitään tietä sen tuolle puolen ja yritetään saada kiinni tuntemattomista laeista, säännöistä Higgsin takana. Toistaiseksi mitään uutta ei ole löytynyt, joten katseet suunnataan taivaalle.

Kuten Kari Enqvist meille kertoi, taivaalla näkyvä kosminen mikroaaltotausta on kirjaimellisesti valokuva 14 miljardin vuoden takaa. Mikroaaltotausta syntyi, kun valo ja aine irtosivat toisistaan ensimmäisen kerran. Tummat täplät merkitsevät kohtia, missä oli enemmän ainetta. Tiheät alueet vetävät gravitaation kautta puoleensa lisää massaa ja kasvavat. Ne ovat siemeniä, joista galaksien verkko versoaa. Kaikki maailmankaikkeuden rakenteet juontavat juurensa mikroaaltotaustassa näkyviin sadastuhannesosan kokoisiin epätasaisuuksiin, suurimmasta pienimpään, satojen miljardien valovuosien pituisista galaksien rihmoista galakseihin, aurinkokuntiin, planeettoihin ja kaikkeen mitä niissä on. Myös meidän ulkomuotomme, luontomme ja kaikki kulttuurimme moninaisuus on peräisin näistä sattumanvaraisista kupruista. Siinä kaikki.

Nämä kuprut puolestaan saattavat palautua Higgsin kenttään.

Menestynein selitys rakenteen siementen alkuperälle on kosminen inflaatio. Lyhykäisyydessään ajatuksena on se, että maailmankaikkeuden alkuhetkinä, ensimmäisen sekunnin murto-osien perukoilla, avaruuden laajeneminen kiihtyi. Kiihtyvä laajeneminen teki avaruudesta tasaisen, kuin pöytäliinan vetäisi tiukaksi.

Kiihtyvästä laajenemisesta oli vastuussa jokin kenttä, joka täytti koko avaruuden, kenties Higgsin kenttä. Kentän gravitaatio ei vedä puoleensa, vaan hylkii, joten avaruuden alueet etääntyvät kiihtyvällä tahdilla. Kvanttifysiikan mukaan mikään ei ole täysin tasaista, kaikessa on kvanttivärähtelyjä, niin myös inflaatiota ajavassa kentässä. Inflaation aikana avaruuden nopea laajeneminen venyttää kentän vähäiset värähtelyt hiukkasfysiikan mittakaavasta kosmisiin mittoihin ja jäädyttää ne paikalleen, niin että ne eivät enää värähtele, vaan kiteytyvät siemeniksi.

Inflaation lopuksi kenttä -ehkä Higgsin kenttä- hajoaa tavalliseksi aineeksi, joka perii sen epätasaisuudet. Siellä missä kentän arvo on isompi, syntyy enemmän hiukkasia, mukaan lukien fotoneita, ja 14 miljardia vuotta myöhemmin kvanttivärähtelyjen jäljet hohtavat taivaalla piirrettynä mikroaaltojen näkymättömällä valolla.

Inflaatiossa keskeistä on siis toisaalta kvanttivärähtelyt ja toisaalta maailmankaikkeuden laajeneminen. Avaruuden laajeneminen perustuu fundamentaalin fysiikan toiseen tukipilariin, yleiseen suhteellisuusteoriaan.

Inflaatio on ensimmäinen –ja toistaiseksi ainoa– fysiikan alue, missä kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria ovat kohdanneet siten, että on päästy kokeellisesti testaamaan niiden yhteisiä ennustuksia. Inflaatiossa yhdistyvät lait, jotka hallitsevat yllä ja alla olevaa todellisuutta.

Jos Higgs on vastuussa inflaatiosta, niin tämä tarkoittaa sitä, että taivaalla miljardien valovuosien mittakaavassa näkyvä galaksien jakauma määräytyy LHC-kiihdyttimessä mitatuista hiukkasten ominaisuuksista.

Lisäksi Higgs-inflaatiossa on sellainen erityispiirre, että Higgs kytkeytyy aika-avaruuteen poikkeuksellisella tavalla, niin että Higgs-inflaation jättämistä vihjeistä taivaalla, erityisesti inflaation aikana syntyneiden gravitaatioaaltojen jäljistä, on mahdollista päätellä mitkä ovat aika-avaruuden ainesosat. Yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka kuvaa aika-avaruutta, on nimittäin erilaisia versioita, emmekä tiedä mikä niistä on oikea: onko yleinen suhteellisuusteoria sellainen kuin sen muotoili Albert Einstein vuonna 1915, 1925, 1930, vai Abhay Ashtekar vuonna 1986, vai aivan muunlainen? Mutta tämän kertominen tarkemmin veisi meidät jo toiseen tarinaan.

13 kommenttia “Higgs ja maailmankaikkeuden synty”

  1. Eusa kirjoitti:

    Jos laadit ”toisen tarinan” merkinnän yleisen suhteellisuusteorian versioista, pyydän että voisit kuvata Einstein-Cartan-Kibble-Sciama -teorian ja loop quantum -gravitaation pyrkimyksiä.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Loop quantum gravityssä on kyse (nimensä mukaisesti) kvanttigravitaatiosta, ei yleisen suhteellisuusteorian eri muotoilusta. (Se perustuu tässäkin mainittuun Ashtekarin muotoiluun.) Saatan kirjoittaa siitä jossain vaiheessa. Einstein-Cartanin teoriaa tuskin täällä käsittelen.

  2. Syksy Räsänen kirjoitti:

    Muistutuksena (viitaten kommentteihin joita ei ole julkaistu), tämä kommenttiosio ei ole oikea paikka omien fysiikan spekulaatioiden esittelemiseen.

  3. Mikko kirjoitti:

    Mitä ovat suhteellisuusteorian eri versiot? Mitä ero niissä on? En ole kuullutkaan että Albert Einstein on tehnyt siitä eri versioita tai muotoiluja.

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Tämän kertominen tarkemmin veisikin jo toiseen tarinaan. Yleisestä suhteellisuusteoriasta on erilaisia käsitteellisesti erilaisia muotoiluja, jotka kuitenkin yleisen suhteellisuusteorian ja tietynlaisen ainesisällön tapauksessa ovat fysikaalisesti identtisiä. Higgs-inflaation tapauksessa näin ei kuitenkaan ole. Tämä on eräs tutkimuskohteeni, asiasta kenties lisää jossain myöhemmässä merkinnässä.

  4. Sunnuntaikosmologi kirjoitti:

    Eikö ole niin että sekä LHC:n että LIGO:n saavutukset tähän mennessä ovat olleet lähinnä sitä että ovat kokeellisesti vahvistaneet sen mitä niiden oletettiinkin vahvistavan ?
    Jo nämä saavutukset ovat toki mittaamattoman arvokkaita. Mutta onko tilanne sekä astrofysiikassa että hiukkasfysiikassa se että alan peruskurssien oppikirjat eivät välttämättä juurikaan muutu seuraavan 25 vuoden aikana ?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Asia on juurikin näin. Tosin LIGOn kohdalta sillä varauksella, että mustien aukkojen oli odotettu olevan hieman pienempiä. En tiedä kuinka tärkeä löytö tämä on tähtien kehityksen tutkimiselle.

      Edellinen merkittävä yllättävä havainto kosmologiassa ja hiukkasfysiikassa oli kiihtyvä laajeneminen noin 20 vuotta sitten. Hiukkasfysiikasssa tämä onkin ongelma, olen kirjoittanut siitä mm. täällä:

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

      1980-luvulta 2000-luvulle kosmologiassa tapahtui valtavasti kehitystä niin teorian kuin havaintojen osalta. Voi olla että tahti tasaantuu, mutta on mahdotonta sanoa, mitä seuraavan 25 vuoden aikana löydetään.

  5. Arska kirjoitti:

    Mustien aukkojen lähestyessä ja sulautuessa vapautuu energiaa, samoin kaiketi inflaatiossa. Mahdollinen gravitaation välittävä hiukkanen varmaankin täytyisi olla ilman massaa, jotta vapautuva energia tosiaan jäisi gravitaatioaaltoina taivuttamaan aika-avaruutta. Mitä sanoo fyysikko?

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Mustien aukkojen lähestyessä toisiaan ja sulautuessa tosiaan systeemi lähettää valtavia määriä energiaa, viimeisen sekunnin aikana enemmän kuin näkyvän maailmankaikkeuden kaikki tähdet yhteensä aikana.

      Gravitaatioaallot, jotka käyttäytyvät kuten massattomat hiukkaset, kuljettavat tämän energian pois mustien aukkojen törmäysalueesta. Niiden suhteesta hiukkasiin tarkemmin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/painon-valittajasta/

      Inflaatiolle kokonaisenergia ei ole hyvin määritelty käsite (yleisessä suhteellisuusteoriassa se voidaan määritellä vain erityisissä tapauksissa). Mutta jos tarkastelee tietyssä tilavuudessa yhteenlaskettua energiatiheyttä, niin se tosiaan kasvaa valtavasti inflaation aikana. Prosessilla ei kuitenkaan ole mitään tekemistä gravitaation välittämisen kanssa.

  6. Lentotaidoton kirjoitti:

    ”erityisesti inflaation aikana syntyneiden gravitaatioaaltojen jäljistä, on mahdollista päätellä mitkä ovat aika-avaruuden ainesosat”.

    Muistamme kaikki BICEP2den onnettomasti päättyneet seikkailut. Onko asian tiimoilta kuulunut sen jälkeen mitään mielenkiintoista? Tutkimusryhmähän jatkoi työskentelyään. (vai tarkoititko tässä taustasäteilyä, sekin toki pohjautuu inflaation gravitaatioaaltojen fluktuaatioihin?)

    1. Syksy Räsänen kirjoitti:

      Kyllä, tarkoitin mikroaaltotaustassa näkyviä gravitaatioaaltojen jälkiä. Viimeisin raja inflaatiossa syntyneiden gravitaatioaaltojen voimakkuudelle on vuodelta 2015, jolloin Planck ja BICEP2/Keck yhdistivät tuloksensa.

      Uusia gravitaatioaaltoja etsiviä satelliitteja suunnitellaan Euroopassa, Yhdysvalloissa ja Japanissa. Helsingin yliopiston fysiikan laitoskin on eurooppalaisessa Core-projektissa mukana Hannu Kurki-Suonion johdolla. Näistä seuraavan sukupolven laitteista kaavaillaan noin sata kertaa nykyisiä tarkempia. Palaan kenties niihin myöhemmin.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *