Ihmisten ja enkelien kielillä

23.3.2020 klo 18.05, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehden Rihveli numerossa 1/2020 on artikkelini Ihmisten ja enkelien kielillä: kauneus, yksinkertaisuus ja symmetria fysiikassa. Kirjoitan muuan muassa näin:

“Ilmiöiden ja tarinoiden kauneuden lisäksi fysiikassa on kaukaisempaa ja puhtaampaa kauneutta, joka ei koske ilmiöitä, vaan sääntöjä ilmiöiden takana: se on sekä aineetonta että epäinhimillistä.”

8 kommenttia “Ihmisten ja enkelien kielillä”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Olisi ollut hienoa, jos Syksy Räsänen olisi liittänyt tuon Rihveli-lehdessä julkaistun koko tekstin blogiinsa eikä vain linkkiä siihen. Tuo mukaan otettu lause on ilmeisesti kuitenkin kirjoituksen oleellinen sisältö. Syksy Räsäsen mainitsema fysiikan ilmiöiden takana oleva aineeton ja epäinhimillinen puhtaampi kauneus viittaa kovasti siihen suuntaan, että näiden sääntöjen laatija on ns. älykäs suunnittelija. Samaan suuntaan osoittaa myös otsikkoon otettu sana enkeli. Minusta on aika outoa, että fyysikko selittää asioita aineettomilla olioilla kuten enkeleillä, joiden olemassaoloa ei ole tieteellisesti varmennettu. Enkeleiden sijaan otan mieluummin selitykseksi neutriinon ja elektronin muodostamat rinkelit, joilla Arto Annila kirjassaan Kaiken maailman kvantit kuvaa näitä hiukkasia. Annilan mukaan universumin selittämiseksi ei tarvita kööpenhaminalaisen tulkinnan mystiikkaa eikä mitään virtuaalihiukkasia vaan pelkästään fotoneja.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jos jutun lukee, saa selville, että siinä ei ole sen enempää yliluonnollisia enkeleitä kuin ”älykästä suunnittelijaa”.

      Ei tästä sen enempää.

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Sitähän juuri pahoittelin, etten päässyt lukeman juttua. Minusta Syksy Räsänen olisi voinut liittää tuon koko tekstin blogii-kirjoitukseensa.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Teksti on luettavissa linkin takana.

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Hieno ja oivaltava kirjoitus Syksy Räsäseltä, kiitos siitä. Fyysikot(kaan) (saati sitten itse fysiikka) eivät ole yhden asian fakki-idiootteja. Erkki Kolehmainen sen sijaan näyttää olevan vähän oivaltamis- ja käsittämiskyvyltään ja ilmeisesti tiedoiltaankin vähintäänkin vajavaisen tason omaava henkilö. Tai sitten yksinkertaisesti kaunainen trolli. Annilan veto tähän oli täydellisen käsittämätön limbo. Annilan erottamisella yliopistosta ja Räsäsen fysiikan kauneuden kuvailuilla ei ole minkään valtakunnan yhtymäkohtia. On käsittämätöntä, että jos E.K. on tosiaan myös lukenut tuon kirjoituksen, hän vetää kirjoittamiaan johtopäätöksiä.

    Räsänen: ”Mutta kosmologiassa on enemmän kuin vivahdus mytologian kauneudesta, vaikka sen estetiikka onkin jumalatonta, vailla sankareita ja opetuksia. Ilmiöiden ja tarinoiden kauneuden lisäksi fysiikassa on kaukaisempaa ja puhtaampaa kauneutta, joka ei koske ilmiöitä, vaan sääntöjä ilmiöiden takana: se on sekä aineetonta että epäinhimillistä.”

    Suosittelen kaikkia lukemaan tuon Syksyn kirjoituksen.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, mukava kuulla että pidit artikkelista.

      Pidetään kuitenkin keskustelu täällä asiallisena, vaikka vastaan tulisikin kommentteja joista ei paljoa perusta.

    2. Erkki Kolehmainen sanoo:

      Minä en noteeraa nimimerkin takana piileksiviä pelkureita miksikään – varsinkaan, jos he menevät arvostelussaan henkilökohtaisuuksiin. Trollileiman lyöminen on näköjään muotia, mutta en ole trolli enkä kaunainen. Tässä ei ole kysymys henkilöistä vaan fysiikan ns. standardimallista ja sen puutteista. Annila erotettiin HY:stä, koska hän esitti standardimallista poikkeavan universumin selityksen. Eräs Annilan kärkkäimpiä kriitikkoja on ollut Syksy Räsänen, joka ei ole joutunut HY:n taholta vastaavan sanktion kohteeksi. Kauneus on katsojan silmässä ja sen vuoksi kauneus ei ehkä ole paras käsite fysiikan luonnehdintaan. Jos näkee mytologiassa yli-inhimillistä kauneutta, niin silloin kannattaa tutkia sitä eikä fysiikkaa.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        En itse asiassa ole Arto Annilan tapausta julkisuudessa juuri kommentoinut. Tämä riittäköön hänestä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Vasemmalta oikealle

21.3.2020 klo 17.46, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kosmologiassa on neljä isoa avointa ongelmaa: mitä on pimeä aine, miksi ainetta on enemmän kuin antiainetta, miten kosminen inflaatio on tapahtunut, ja mistä viime aikojen kiihtyvä laajeneminen johtuu.

Ratkaisuehdotuksia on satoja. Erityisen viehättäviä ovat sellaiset, joissa tehdään vain vähän oletuksia ja jotka selittävät useita asioita. Yksi tällainen on nuMSM, neutriinojen Minimaalinen Standardimalli. Siinä hiukkasfysiikan Standardimallia laajennetaan kenties yksinkertaisimmalla tavalla, lisäämällä kolme neutriinoa.

Hiukkasfysiikan Standardimallissa on kahdenlaisia ainehiukkasia: kvarkkeja ja leptoneita. Värivuorovaikutus sitoo kvarkit protoneiksi ja neutroneiksi. Leptonit eivät tunne värivuorovaikutusta, ja niitä on kahdenlaisia: sellaisia joilla on sähkövaraus (kuten elektroni), ja sellaisia joilla ei ole. Varauksettomia leptoneita sanotaan neutriinoiksi, ja niitä on kolme erilaista.

Kaikista ainehiukkasista paitsi neutriinoista on neljä versiota: hiukkanen ja antihiukkanen, ja kummastakin kaksi spin-tilaa. Jälkimmäinen tarkoittaa karkeasti yksinkertaistaen sitä, että hiukkanen voi pyöriä vastapäivään tai myötäpäivään. Sanotaan, että on vasenkätinen ja oikeakätinen hiukkanen.

Kun Standardimallia muotoiltiin 1970-luvulla, siihen laitettiin vain vasenkätisiä neutriinoita, ei oikeakätisiä. Syynä oli yksinkertaisuus. Toisin kuin sähkövaraukselliset oikeakätiset ainehiukkaset, oikeakätiset neutriinot vuorovaikuttavat vain vasenkätisten kumppaneidensa kanssa, ja sitäkin heiveröisesti. (Siispä niitä kutsutaan myös steriileiksi neutriinoiksi.) Niinpä oikeakätisistä neutriinoista ei ole toistaiseksi mitään merkkiä, eikä Standardimallin matemaattinen rakenne edellytä niitä. Siksi niitä 1970-luvulla pidettiin ylimääräisinä.

Tuuli kääntyi 1990-luvulla, kun tavallisten, vasenkätisten, neutriinoiden havaittiin muuttuvan toisikseen. (Havainnosta on myönnetty Nobelin palkinto vuosina 2002 ja 2015.) Tämä on mahdollista vain jos neutriinoilla on massa – 1970-luvulla ne oli jätetty massattomiksi. Niinpä Standardimallia piti päivittää. Vasenkätisille neutriinoille voi antaa massat lisäämättä uusia hiukkasia, mutta on luontevampaa lisätä samaan syssyyn myös oikeakätiset neutriinot.

Tämä on kenties yksinkertaisin hiukkasfysiikan Standardimallin laajennus, ja nuMSM:ssä yritetään lypsää siitä niin paljon kuin mahdollista. Vasenkätiset neutriinot voivat muuttua paitsi toisikseen, myös oikeakätisiksi neutriinoiksi. Tällä ilmiöllä pyritään selittämään sekä pimeä aine että aineen ja antiaineen epäsuhta.

Kevyin oikeakätinen neutriino on oiva ehdokas pimeäksi aineeksi: sillä ei ole sähkövarausta (eikä värivarausta) ja se voi olla erittäin pitkäikäinen. On mahdollista että pimeä aine on syntynyt tavallisten neutriinoiden muuttuessa oikeakätisiksi neutriinoiksi varhaisessa maailmankaikkeudessa. Olen aiemmin kirjoittanut tästä, nyt avaan sitä, miten tavallisten neutriinoiden muuttuminen kahdeksi muuksi oikeakätiseksi neutriinoksi voisi selittää aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan.

Vaikka kaikista ainehiukkasista on sekä tavallinen hiukkanen että antihiukkanen, maailmankaikkeudessa näkyvät kappaleet koostuvat vain hiukkasista. Ei ole antiaineplaneettoja, antiainetähtiä eikä antiainegalakseja. Kun aine ja antiaine kohtaavat, ne annihiloituvat, eli muuttuvat toisiksi hiukkasiksi, erityisesti fotoneiksi. Jos jossain olisi antiainetta, näkisimme aineen ja antiaineen rajapinnalla syntyvää annihilaatiosäteilyä. Jonkin verran tällaista säteilyä itse asiassa mitataan taivaalta, koska vinhasti pyörivissä neutronitähdissä ja supernovien jäänteissä syntyy pieniä määriä antihiukkasia, jotka törmäävät tavalliseen aineeseen.

Varhaisessa maailmankaikkeudessa tilanne oli toinen: ainetta ja antiainetta oli lähes yhtä paljon. Hiukkaspuurossa hiukkaset ja antihiukkaset törmäsivät ja annihiloituivat koko ajan, mutta vastaavasti fotonit muuttuivat koko ajan takaisin hiukkas- ja antihiukkaspareiksi, niin että aineen ja valon suhde pysyi tasapainossa. Esimerkiksi fotoneita ja elektroneita oli suunnilleen yhtä paljon.

Mutta kun maailmankaikkeus laajenee, fotonien aallonpituus venyy ja energia laskee. Niinpä jonkun ajan kuluttua fotoneilla ei ole enää tarpeeksi energiaa hiukkasten ja antihiukkasten tuottamiseen. Sitten hiukkaset ja antihiukkaset kuluttavat toisensa loppuun, kun uusia ei tule. Ensin katoavat top-kvarkki ja sen antihiukkanen, koska se on kaikkein raskain hiukkanen, eli sen tuottaminen vaatii eniten energiaa. Tämä tapahtuu maailmankaikkeuden ollessa noin sekunnin miljardisosan sadasosan ikäinen. Viimeiseksi poistuvat elektroni ja antielektroni, jotka kuluvat loppuun kun maailmankaikkeus on sekunnin vanha.

Jos ainetta ja antiainetta olisi ollut yhtä paljon, jäljelle oli jäänyt vain fotoneita ja neutriinoita. Ainetta oli kuitenkin hitusen verran enemmän. Nykyään maailmankaikkeudessa on noin miljardi fotonia jokaista protonia ja elektronia kohti, eli aineen ja antiaineen epäsuhta oli vain miljardisosan luokkaa. Kaikki näkyvät rakenteet koostuvat tuosta pienestä ylijäämästä.

Tapahtumaa jossa aineen ja antiaineen välisen epäsuhta saa alkunsa kutsutaan nimellä baryogeneesi, baryonisen aineen synty. Baryoninen aine tarkoittaa ainetta, joka koostuu kvarkeista. Nimi tulee siitä, että asiaa ajatellaan yleensä sen kautta, miten saataisiin tuotettua enemmän kvarkkeja kuin antikvarkkeja, ja elektronit tulevat siinä sivussa.

Nykymaailmankaikkeudessa baryoniluku säilyy. Protoneilla ja neutroneilla on baryoniluku +1, niiden antihiukkasilla -1. Aina kun syntyy protoneita ja neutroneita, syntyy siis yhtä paljon antiprotoneita plus antineutroneita. Varhaisessa maailmankaikkeudessa tämäkin on toisin.

Yksi suosittu mahdollisuus baryogeneesille on se, että Higgsin kentän olomuodon muutoksessa kehkeytyy kuplia, joiden törmäyksissä syntyy enemmän kvarkkeja kuin antikvarkkeja. Tämä vaatii sitä, että on olemassa uusia hiukkasia, jotka ovat jonkin verran mutta ei liikaa nykyistä raskaampia. Toistaiseksi sellaisia ei ole näkynyt.

nuMSM lähestyy baryogeneesiä kiertotien kautta. Baryoniluvun lisäksi nykymaailmankaikkeudessa säilyy (ainakin enimmäkseen) leptoniluku. Kaikilla leptoneilla on leptoniluku +1 ja niiden antihiukkasilla -1, oikeakätisiä neutriinoja lukuun ottamatta.

Kun tavalliset neutriinot muuttuvat oikeakätisiksi neutriinoiksi, leptoniluku siis muuttuu. Tässä voi syntyä epäsuhta leptonien ja antileptonien välille. Varhaisina aikoina (ennen sekunnin miljardisosan sadasosaa) baryoniluku ja leptoniluku sekoittuvat koko ajan, joten leptoniluvun ylijäämä siirtyy baryonilukuun.

Tapahtuman yksityiskohdat ovat monimutkaisia, vaikka lähtökohta on yksinkertainen. Tämä on yleensä hyvä merkki. nuMSM:n baryogeneesi nähtävästi toimii vain silloin, kun kahden raskaamman oikeakätisen neutriinon massat ovat lähellä protonin massaa ja hyvin lähellä toisiaan.

Toisin kuin Standardimallin laajennuksissa yleensä, nuMSM:ssä uusien hiukkasten havaitseminen ei ole vaikeaa siksi, että ne olisivat niin raskaita, vaan siksi, että ne vuorovaikuttavat niin heikosti. Suunnitteilla on useita kokeita, jotka yrittävät mitata näiden hiukkasten heiveröisiä signaaleja, esimerkiksi CERNin SHiP.

nuMSM kietoo neutriinojen muuttumisen toisikseen, pimeän aineen ja baryogeneesin tiiviiksi paketiksi. Oikeakätisten neutriinoiden massoilla on mallissa tiukat rajat, joten ne joko löydetään tai malli osoitetaan vääräksi. Tällainen ennustusvoimaisuus on käytännöllistä ja kaunista.

16 kommenttia “Vasemmalta oikealle”

  1. Matti Hult sanoo:

    Erinomaisen valaisevasti kirjoitettu -kiitos!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, mukava kuulla. Tämä on vaikea aihe, kun asiaan liittyy niin muutama mutka ja useita erikoistermejä.

  2. Eusa sanoo:

    Neutriinojen massallisuuttahan ei ole suoraan todennettu eli saatu mitattua massat.

    On siten edelleen mahdollista, että neutriinoaalloilla on vain yhdenlainen kätisyys kuten valollakin ja on siten oma antihiukkasensa oikeakätisenä – rikkoutumaton symmetria.

    Jos kunnolla massiivisia neutriinoja havaittaisiin, laittaisi se melko lopullisen pisteen neutriinojen massattomuusmahdollisuudelle ja oskillaatio-olettaman vaihtoehdoille. Onko kiihdytinkokeiden ohjelmissa erityistä linjaa monikanavaisesti etsiä tuollaisia protonimassaluokan neutriinoja – onko siihen periaatteessa keinoja?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      On totta, että neutriinojen massoja ei ole vielä mitattu suoraan. Mittauksia tehdään laboratoriossa ja kosmologisesti (neutriinojen massoista jää jälki galaksien jakaumaan), saa nähdä kumpi pääsee ensin maaliin.

      Muitakin selityksiä neutriinoiden muuttumiselle toisikseen on esitetty. Ne ovat kuitenkin sen verta eksoottisempia ja monimutkaisempia kuin massat, että massoja pidetään jokseenkin varmennettuina. On totta, että asia ei kuitenkaan vielä ole järkevän epäilyn tuolla puolen.

      1. Eusa sanoo:

        Tartuit spekulointitoleranssin arviointiin, mutta itse kysymys jäi vastaamatta. 🙂

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tosiaan.

          Vastaus löytyy tekstistä: ”Suunnitteilla on useita kokeita, jotka yrittävät mitata näiden hiukkasten heiveröisiä signaaleja, esimerkiksi CERNin SHiP.”

      2. Jernau Gurgeh sanoo:

        Jos neutriino-oskillaatio on varmasti todettu tapahtuvaksi, niin eikö tästä seuraa väkisin että neutriinoilla on massa, riippumatta siitä mikä itse oskillaation aiheuttaa?

        Jos neutriinon tila vaihtelee, niin silloinhan se kokee evoluutiota. Evoluutio tapahtuu aina ajassa? Jos hiukkanen kokee ajan, silloin se ei voi kulkea valonnopeudella, josta seuraa että sillä on oltava massa?

        Vai olenko ymmärtänyt ihan väärin, mistä asiassa on kysymys?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kyllä valonnopeudella liikkuvatkin hiukkaset muuttuvat – kuinkas muutenkaan, liikehän on paikan muutosta.

          Myös fotonien aallonpituus ja polarisaatio voivat muuttua.

          Jos aksioneja on olemassa, niin magneettikentissä fotonit sekoittuvat niihin samaan tapaan kuin neutriinot sekoittuvat toisiinsa.

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

  3. Lentotaidoton sanoo:

    ” nuMSM kietoo neutriinojen muuttumisen toisikseen, pimeän aineen ja baryogeneesin tiiviiksi paketiksi. Oikeakätisten neutriinoiden massoilla on mallissa tiukat rajat, joten ne joko löydetään tai malli osoitetaan vääräksi. – nuMSM:n baryogeneesi nähtävästi toimii vain silloin, kun kahden raskaamman oikeakätisen neutriinon massat ovat lähellä protonin massaa ja hyvin lähellä toisiaan”.

    Eli mitkä ovat nämä ”tiukat rajat”? Jos ne ovat ”lähellä protonin massaa” niin luulisi näin ottaluulla mitaten niiden löytyvän helpostikin (vajaassa 1 GeV:ssä). Vai onko se vaikeus vain lähes olemattomassa vuorovaikutuksessa? Vai olenko (taas) väärässä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kevyimmän neutriinon massa on noin 5-10 keV (eli noin kymmenesosa elektronin massasta). Alaraja tulee siitä, että galaksien ja kääpiögalaksien rakenne ei häiriinny liikaa: mitä kevyempi pimeän aineen hiukkanen, sitä vinhempaan se liikkuu ja sitä enemmän se pyyhkii rakennetta pois. Yläraja tulee siitä, että kevyin oikeakätinen neutriino voi hajota tavalliseksi neutriinoksi ja fotoniksi, ja noita fotoneita ei ole nähty.

      Aiemmin luultiin, että raskaampien massan pitää olla jokseenkin 1 GeV, ja massaeron noin 10 keV, mutta uusimpien laskujen mukaan massa voi olla ainakin kertalukua kevyempi tai raskaampi.

      Oikeakätisten neutriinojen löytämisen vaikeutena on se, että ne vuorovaikuttavat niin heikosti. Niitä voi etsiä tuottamalla tavallisia neutriinoita ja katsomalla katoaako osa niistä.

      Perinteisestihän tavalliset neutriinot ovat niitä hiukkasia, jotka havaitaan epäsuorasti siten, että jotain puuttuu. Tässä ne ovat niitä hiukkasia, jotka pitää mitata suoraan.

      Pitää siis suunnata tarkkaan detektoriin säde, jossa on paljon neutriinoja.

  4. Eusa sanoo:

    Neutriinoista ihan peruskysymys.

    Kun fotoni absorptiossa virittää energiatasonsa mukaisen tilan ja voi ryhmittyä inerferenssissä uudelle energiatasolle (PT-symmetria), mikä erottaa neutriinolajit niin, ettei kyse voisi olla yhden ”yleisen” neutriinolajin interferenssiryhmittymisestä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kolme tavallista neutriinoa (elektronin neutriino, myonin neutriino ja taun neutriino) vuorovaikuttavat eri tavalla elektronin, myonin ja taun kanssa.

  5. Lentotaidoton sanoo:

    ”Perinteisestihän tavalliset neutriinot ovat niitä hiukkasia, jotka havaitaan epäsuorasti siten, että jotain puuttuu. Tässä ne ovat niitä hiukkasia, jotka pitää mitata suoraan”.

    Tulee mieleen Paulin ihmettely keksimästään neutriinosta v 1930: olen löytänyt hiukkasen jota ei pystytä koskaan löytämään. No kesti 26 vuotta (1956) ja neutriino löydettiin. Jäämme odottelemaan nuMSM neutriinoja. Onko neutriinoton kaksoisbeeta hajoaminen tässä avainasemassa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Neutriinoton kaksoisbetahajoaminen on yksi koe, jossa noita raskaampia oikeätisiä neutriinoita voisi näkyä (kevyimmän vaikutus siihen on liian heikko). En osaa sanoa sen tärkeydestä suhteessa muihin kokeisiin.

  6. Lentotaidoton sanoo:

    nuMSM:hän on venäläis-suomalaista yhteistyötä, idean isäthän ilmeisesti Shaposnikov ja Enqvist

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      nuMSM on alun perin Takehiko Asakan ja Mikhail Shaposhnikovin esittämä, Kari Enqvist ei ollut mukana.

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

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Heinät heinäsuovasta

29.2.2020 klo 14.03, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Torstaina Helsingin yliopiston fysiikan osastolla oli sarja puheita LISAprojektin etenemisestä ja Suomessa sen tiimoilta tehtävästä tai samankaltaisesta tutkimuksesta. LISA on kolmesta satelliitista koostuva observatorio, joka mittaa gravitaatioaaltoja. Euroopan avaruusjärjestö ESA on päättänyt rakentaa sen, ja Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASA hankkeessa mukana.

LISAsta oli kertomassa tutkimusryhmän paikallisten jäsenten lisäksi Martin Hewitson, joka on LISA-ryhmän koordinaattori ja LISAn instrumenttiryhmän johtaja, sekä Antoine Petiteau, joka on LISA-ryhmän kanssajohtaja johtokunnassa, Ranskan edustaja LISAssa ja LISAn dataprosessointiryhmän johtaja.

Teknisesti LISA on erittäin vaativa projekti, ja tuntuu uskomattomalta, että se voi toimia. LISAn tavoittelemien gravitaatioaaltojen korkeus vaihtelee (kohteesta riippuen) välillä 10^(-17) ja 10^(-21) – ne muuttavat satelliittien välisiä etäisyyksiä etäisyyksiä suurimmillaan kymmenen miljardisosan miljardisosan verran. Nykyisten gravitaatioaaltodetektorien LIGOn ja Virgon näkemät gravitaatioaallot ovat tuosta heikommasta päästä, joten näin pieniä signaaleja on mahdollista havaita, ja LISAn teknologiaa on jo onnistuneesti testattu LISA Pathfinder -nimisellä koesatelliitilla.

LISA yhdistää isoa ja pientä. LISAn satelliittien etäisyys toisistaan Aurinkoa kiertävällä radalla on 2.5 miljoonaa kilometriä, ja niiden paikkaa pitää pystyä säätämään nanometrin tarkkuudella. Kunkin satelliitin sisällä on kaksi vapaasti kelluvaa detektoria, jotka lähettävät valoa toisilleen ja muiden satelliittien detektoreille. Laitteet mittaavat gravitaatioaaltojen aiheuttamia muutoksia valon matka-ajassa. Kokeen herkkyydestä kertoo se, että yksi merkittävä virhelähde on se, että noin 500 kilon painoisen satelliitin detektoriin kohdistama gravitaatiovoima ei ole samanlainen kaikissa suunnissa, minkä takia se liikkuu satelliitin sisällä.

LISAa alettiin suunnitella 1990-luvulla. Satelliittien on määrä nousta taivaalle vuonna 2034, aloittaa mittaukset vuonna 2036 ja jatkaa vähintään neljä vuotta. Satelliiteissa on tarpeeksi polttoainetta ja muita tykötarpeita vuoteen 2046 asti, ja data-analyysi jatkuu vielä sen jälkeen vaikka, kuten Martin Hewitson puheessaan totesi, ”emme kaikki ehkä ole sitä enää näkemässä”. Kokonaisuudessaan LISA-projekti kestää yli puoli vuosisataa, ja mittausten tekeminen on siitä vain pieni osa.

LISAn on tarkoitus olla päällä jatkuvasti, ja se mittaa taivasta kaikissa suunnissa. Olen aiemmin maininnut sen kohteista suunnilleen Auringon massaisten mustien aukkojen kiertoliikkeen, galaksien keskustoissa istuvien mustien aukkojen yhteensulautumisen ja Higgsin kentän kuplien törmäykset maailmankaikkeuden alkuhetkinä. Viimeksi mainitut ovat yksi kosmologian päätutkimuskohde Helsingissä, mutta niistä tuleva signaali on erittäin epävarma – ei nimittäin tiedetä, syntyykö noita kuplia ollenkaan. Sen sijaan tunnettuja kohteita on riesaksi asti.

Helsingissä Peter Johansson tutkii tietokonesimulaatioilla galaksien törmäyksiä ja galaksien keskustojen mustien aukkojen sulautumisessa syntyviä gravitaatioaaltoja. Näiden miljoonia tai miljardeja kertoja Aurinkoa raskaampien mustien aukkojen syntyä ja kehitystä ei tunneta vielä tarkkaan, ja LISA voi valaista asiaa merkittävästi. LISA on niin herkkä laite, että se havaitsee näiden jättimäisten kohteiden yhtymisen kaikkialta maailmankaikkeudesta, mistä signaalit ovat ehtineet tulla meille, eli 50 miljardin valovuoden säteeltä. Näitä törmäyksiä odotetaan tapahtuvan noin 10-100  kertaa vuodessa – tai ne siis tapahtuivat miljardeja vuosia sitten, mutta valonnopeudella kulkevat gravitaatioaallot saavuttavat meidät vasta nyt.

Yleisen suhteellisuusteorian testaamisen kannalta isojen ja pienten kohteiden yhdistelmä voi olla kiinnostavampi. Kun pieni musta aukko kiertää paljon isompaa, sen rata on erittäin monimutkainen ja se riippuu yleisen suhteellisuusteorian yksityiskohdista. Samasta syystä on vaikea selvittää, millainen gravitaatioaalto tästä tarkalleen syntyy, eli miten pieni musta aukko riepottaa avaruutta ison ympärillä viuhuessaan. Tätä ei vielä pystytä laskemaan edes parhailla supertietokoneilla, mutta vielä on 16 vuotta aikaa. LISAn odotetaan näkevän noin 1-1000 tällaista kohdetta vuodessa.

On myös kohteita, jotka tunnetaan hyvin. Linnunradassa arvioidaan olevan noin 10 miljoonaa valkoisten kääpiöiden pariskuntaa. Valkoiset kääpiöt ovat ydinpolttoaineensa loppuun kuluttaneita tähtiä, joiden massa ei ollut tarpeeksi iso (alle noin kahdeksan Auringon massaa), että ne olisivat musertuneet neutronitähdiksi. Ne ovat silti raskaita ja tiiviitä. Kun kaksi valkoista kääpiötä kiertää toistaan vinhaan, ne synnyttävät tarpeeksi gravitaatioaaltoja, että LISA näkee ne. Tässä on hyvät ja huonot puolensa.

Linnunradassa on valon avulla nähty parikymmentä valkoisten kääpiöiden paria. Niitä voi käyttää LISAn kalibrointiin, koska tiedetään tismalleen millainen signaali niistä pitäisi tulla. Ongelmana on se, että LISA pystyy erottamaan 25 000 muunkin valkoisten kääpiöiden parin gravitaatioaallot, ja loppujen noin 10 miljoonan aallot ovat taustakohinaa. Kun pannaan päälle se, että galaksien keskustojen mustien aukkojen törmäykset ja isoihin mustiin aukkoihin putoavat pienemmät mustat aukot saattavat tapahtua keskenään osittain samaan aikaan, signaalin erottaminen vaatii hienostuneita menetelmiä ja paljon laskentatehoa.

Nykyisillä gravitaatioaaltodetektoreilla ei ole tällaista ongelmaa. LIGO, Virgo ja hiljattain käynnistynyt KAGRA saavat haaviinsa noin kymmenen signaalia vuodessa, joiden kesto on sekunnin luokkaa. Kun signaalit ovat kaukana toisistaan, niiden erottaminen on helppoa. LISAssa pitää sen sijaan erotella heinät heinäsuovasta.

On säväyttävää, miten teknologia on edennyt. Muutama vuosikymmen sitten LISAn mittaamia aaltoja olisi pidetty mitättöminä ja mahdottomina mitata, mutta nyt (tai pian) niitä on taustakohinaksi asti; näin ihmeellisestä tulee arkea.

Kiinnostavinta on tietysti se, mitä ei osata odottaa. LISA saattaa löytää jotain, mistä meillä ei ole vielä aavistusta, mutta samalla on taattua, että se tuo tunnettuihin asioihin lisävalaistusta.

4 kommenttia “Heinät heinäsuovasta”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Kertoivatko LISA:a mainostaneet mitään sen tulevista kustannuksista ja kunka ne jaetaan NASA:n ja ESA:n kesken? Kuinka UK osallistuu nyt hankkeeseen Brexitin jälkeen. Entä Kiina ja Venäjä sekä muut BRICS-maat?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyseessä ei ollut mainostilaisuus vaan tieteellinen tapaaminen.

      LISAn hinta on muutama miljardia euroa. ESA maksaa pääosan, NASA on junioriosakkaana mukana. Hankkeessa ei tietääkseni ole BRICS-maita mukana.

      ESA ei ole osa EU:ta.

  2. Lentotaidoton sanoo:

    ”Muutama vuosikymmen sitten LISAn mittaamia aaltoja olisi pidetty mitättöminä ja mahdottomina mitata, mutta nyt (tai pian) niitä on taustakohinaksi asti; – mutta vielä on 16 vuotta aikaa”.

    Eli ilmeisesti luotetaan vahvasti (kylmästi?) siihen että kehitys kehittyy (16 vuodessa) ja että mittausvaikeudet voitetaan? Itsekin epäilet: ”tuntuu uskomattomalta, että se voi toimia”. Eli oliko Lisa Pathfinderin onnistuminen sittenkin ratkaisevaa? Jollei, niin käteen jää muutaman vuosikymmenen lasku.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kommentti 16 vuodesta viittaa siihen, että isoa mustaa aukkoa kiertävän pienen mustan aukon lähettämiä gravitaatioaaltoja ei osata vielä laskea. Kyseinen ongelma liittyy siis osan signaaleista ennustamiseen, ei mittaamiseen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Raapimisjälkiä haudassa

27.2.2020 klo 19.10, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Noin 80% maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta, eli ainetta joka on havaittu vain gravitaation kautta. Näin ainakin arvellaan: pimeä aine on lähes sata vuotta vanha idea, joka on erittäin onnistuneesti selittänyt ja ennustanut havaintoja. Mutta pimeän aineen olemassaolosta voidaan olla varmoja vasta kun se on havaittu muutenkin kuin gravitaation avulla.

On satoja erilaisia ehdokkaita sille, mitä pimeä aine on, kuten nynnyt, aksionit, steriilit neutriinot, heksakvarkit ja mustat aukot. Eri ehdokkaita voi havaita eri tavoin. Pimeää ainetta on haettu muun muassa etsimällä taivaalta hiukkasten annihilaatiosta tai hajoamisesta syntyvää säteilyä (ks. täällä, täällä ja täällä), tutkimalla syntyykö hiukkaskiihdytinten hiukkastörmäyksissä pimeän aineen hiukkasia, ja etsimällä kitkaa pimeän aineen liikkeissä. On myös esitetty, että siitä voitaisiin saada todisteita mittaamalla ensimmäisten tähtien kirkkautta.

Yksi suosituimpia pimeän aineen etsimisen menetelmiä on se, että seurataan tarkkaan laboratoriossa olevaa koepalaa (tai säiliötä täynnä nestettä ja/tai kaasua) ja odotetaan, että pimeän aineen hiukkaset potkivat siinä olevia atomiytimiä (ks. täällä, täällä, täällä ja täällä). Koe perustuu siihen, että koska Aurinkokunta (ja samalla Maa) kulkee Linnunradan pimeän aineen halki, pimeän aineen hiukkasia pyyhältää koko ajan lävitsemme.

Toistaiseksi tällaiset kokeet eivät ole löytäneet mitään, kuten eivät muutkaan pimeää ainetta etsineet kokeet. (Poikkeuksena on koe nimeltä DAMA, joka on jo pitkään väittänyt löytäneensä pimeän aineen hiukkasen.) Niinpä etsinnät suuntautuvat yhä vaikeammin löydettäviin pimeän aineen hiukkasiin ja niihin tarvitaan yhä herkempiä menetelmiä. Tähän tarvitaan uusien laitteiden lisäksi uusia ideoita.

Vuonna 2018 joukko tutkijoita tarkasteli kiehtovaa versiota tällaisista kokeista: mitä jos käytetään detektorina laboratoriossa tarkkaan valvottujen koepalojen sijaan maan syvyyksissä olevia kiviä, joihin on voinut jäädä jälkiä satojen miljoonien vuosien ajan? Idea oli esitetty jo 1980-luvulla, mutta teknologia on sittemmin edistynyt paljon.

Tutkijat nimesivät tähän tarkoitukseen käytettävät mineraalit paleodetektoreiksi. Koska etuliite paleo viittaa muinaisten aikojen elämään, geodetektorit olisi asianmukaisempi ilmaisu, mutta fyysikoilla on tapana ottaa vapaat kädet mitä termien keksimiseen tulee.

Koska pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat heikosti tavallisen aineen kanssa, ne enimmäkseen sujahtavat Maan läpi ketään häiritsemättä. Toisinaan pimeän aineen hiukkanen kuitenkin törmää atomiytimeen ja työntää sen sijoiltaan. Mitä kovemman potkun ydin saa, sitä pidemmän matkan se liikkuu. Potkun energia riippuu kahdesta seikasta (ytimen massan lisäksi): pimeän aineen hiukkasen massasta ja nopeudesta. Mitä nopeampi ja raskaampi hiukkanen, sitä kovempi potku.

Ytimen liikkeestä jää aineeseen raapaisujälki. Mitä lyhyempiä jälkiä pystytään mittaamaan, sitä kevyempien hiukkasten merkkejä voidaan nähdä. (Pimeän aineen hiukkasten nopeus Maan suhteen lienee noin 200 km/s siitä riippumatta siitä, millaisia ne ovat.)

Nykyisellä teknologialla pystytään erottamaan kivistä noin nanometerin tai kymmenen nanometrin pituisia jälkiä. (Nanometri on metrin miljardisosa.) Edelliset vastaavat pimeän aineen hiukkasia, joiden massa on suunnilleen sama kuin protonin massa, jälkimmäiset hiukkasia, joiden massa on vähän yli kymmenen protonin massaa. Tyypillisesti kymmentä protonin massaa kevyempien hiukkasten törmäyksiä on vaikea nähdä laboratoriossa tehdyissä kokeissa, koska ydinten saama energia on niin pieni, että se hukkuu taustakohinaan. (Herkkyyttä voi tosin parantaa käyttämällä hyväksi kohteen olevien molekyylien muotoja.)

Paleodetektorit voivat siis olla herkempiä kuin monet laboratoriokokeet. Niitä kuitenkin rajoittaa se, että nanometristen naarmujen havaitseminen vaatii tarkkaa syynäämistä, minkä voi tehdä vain pienille paloille. Nanometrin tarkkuuteen pääsee noin kymmenen mikrogramman hippusesta, kymmenen nanometrin jäljet erottaa noin sadan gramman murusta. Laboratoriokokeissa koepalojen massat ovat sen sijaan satojen kilojen tai tonnin luokkaa. Toisaalta laboratoriokokeiden kesto on korkeintaan kymmenen vuoden luokkaa, kun taas yli kymmenen kilometrin syvyydessä olevissa kivissä jäljet säilyvät satoja miljoonia vuosia. Kokeen pitkä kesto korvaa myös sitä, että yksittäiset törmäykset ovat harvinaisia: kun odottaa tarpeeksi kauan, naarmuja kyllä syntyy, jos sopivia pimeän aineen hiukkasia on olemassa.

Suurin ongelma on sen selvittäminen, ovatko kivissä näkyvät jäljet peräisin pimeästä aineesta. Maapallolle tulee avaruudesta korkeaenergistä säteilyä (enimmäkseen protoneita) joka iskeytyy ytimiin. Tämän takia pimeän aineen laboratoriokokeet ovat kaivoksissa tai vastaavissa paikoissa, missä maaperä suojaa säteilyltä. Paleodetektorien kohdalla kosmisen säteilyn vaikutus on mitätön kun mineraalit ovat hautautuneet yli viiden kilometrin syvyyteen.

Lisäksi Auringosta ja kauempaa tulee neutriinoja, jotka pimeän aineen lailla yleensä läpäisevät Maan, mutta joskus törmäävät ytimiin. Ne rajoittavat sitä, miten heikkoja jälkiä voi nähdä: jos pimeän aineen potkut ovat paljon pienempiä kuin neutriinoiden, ne hukkuvat neutriinokohinaan.

Kolmas vaikeus on se, että kaikessa aineessa on radioaktiivisia ytimiä, joiden hajoaminen saa aikaan jälkiä. Ne voi erotella vertaamalla jälkien yksityiskohtia. Esimerkiksi radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu usein ketjuissa: ydin hajoaa pienemmäksi radioaktiiviseksi ytimeksi (ja muiksi hiukkasiksi), joka sitten puolestaan myöhemmin hajoaa. Eri hajoamisissa syntyvien hiukkasten energiat ovat erilaiset, joten ne jättävät erilaisia jälkiä kiveen. Niinpä hajoamisketjulla ominainen jalanjälki, jonka voi lukea kivestä.

Kun tämän kaiken laittaa yhteen, paleodetektorit ovat kuitenkin kevyitä pimeän aineen hiukkasia etsittäessä merkittävästi herkempiä kuin nykyiset laboratoriokokeet – jos kaikki sujuu kuten on kaavailtu. Tutkijat testaavat ensin menetelmäänsä jälkien lukemisesta mineraaleihin, jotka on kerätty läheltä pintaa. Jos tämä onnistuu, vuorossa on mineraalien poraaminen yli kymmenen kilometrin syvyydestä.

Jos jälkiä löytyy, voisi myös tutkia sitä, miten ne eroavat eri aikoina muodostuneissa mineraaleissa. Tätä kautta voisi saada tietoa siitä, miten pimeän aineen tiheys ja nopeus on muuttunut Maan kohdalla satojen miljoonien vuosien aikana. Tämä puolestaan kertoisi siitä, miten Linnunradan rakenne on kehittynyt. Mutta voi myös olla, että pimeän aineen hiukkanen on niin kevyt tai vuorovaikuttaa niin heikosti, että se ei merkittävästi potki ytimiä, jolloin tarvitaan toisenlaisia kokeita sen saamiseksi haaviin.

18 kommenttia “Raapimisjälkiä haudassa”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Monenlaisia yrityksiä havaita pimeää ainetta on siis ollut ja on, mutta tähän mennessä ne kaikki ovat osoittautuneet vain ”tyrityksiksi”.Ja stä vaihtoehtoa, ettei pimeää ainetta olisikaan, ei edes mainita? Tästä tulee mieleen uskovien ”virtuaalitiede”. Heidän premissinsä on, että jumala on olemassa ja sitten sille etsitään todisteita. Sitä vaihtoehtoa, ettei jumalaa oliskaan, ei kerta kaikkiaan haluta tai uskalleta ajatella.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kannattaa lukea blogimerkintä (tässä tapauksessa ainakin ensimmäinen kappale) ennen kommentoimista.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Pimeän aineen vaihtoehdosta (eli muokatusta gravitaatioteoriasta) hieman täällä:

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

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Laittamissasi linkeissä oli mm parin vuoden takainen kirjoituksesi: ” Tämä on kiinnostava selitys, mutta pimeiden tähtien idea tekee myös ennusteita. Ne ovat hyvin kirkkaita, jopa kymmenen miljardia kertaa Aurinkoa kirkkaampia. Vuonna 2021 kiertoradalle nouseva James Webb Space Telescope voisi havaita yksittäisiä pimeitä tähtiä varhaisessa maailmankaikkeudessa.”

    James Webbi tosiaan ilmeisesti kovien myöhästymisien jälkeen pääsee vuoden kuluttua matkaan. Onko tuon (2018) kirjoituksesi jälkeen tarkennuksia (linkkejä) arveluusi ” voisi havaita yksittäisiä pimeitä tähtiä”? Ns pimeät tähdethän olisivat selviä indikaattoreita pimeästä aineesta.

    Entä toinen lähitulevaisuudessa laukaistava Extremely Large Telescope (ELT)?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tilanne on kaiketi sama kuin ennenkin: ennusteet on, havaintoja odotellaan.

      ELT:n yksityiskohtia en tunne.

  3. Maallikko sanoo:

    Onko kukaan heittänyt ilmoille ajatusta siitä, että pimeän aineen hiukkaset voisivat sijaita neliulotteisen aika-avaruutemme sijasta viidennessä, kuudennessa tai n:nnessä ulottuvuudessa ja sen vuoksi ne vuorovaikuttavat ainoastaan gravitaation välityksellä? Olisiko tällä edes merkitystä vaikka se pitäisikin paikkansa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei tiedetä onko ylimääräisiä ulottuvuuksia olemassa, mutta se on mahdollista.

      Jos niitä on olemassa, kappaleet eivät ole olemassa vain ylimääräisissä ulottuvuuksissa, vaan myös niissä.

      On tutkittu paljon sellaista vaihtoehtoa, että pimeän aineen hiukkasissa on kyse tunnettujen hiukkasten korkeampiulotteisista osista.

      On myös mahdollista, että maailmankaikkeutemme on neliulotteinen siivu korkeampiulotteisessa avaruudessa, ja on olemassa muita siivuja. On varmaankin tutkittu ideaa, että pimeä aine olisi niissä olevaa ainetta. En muista tällaiseen törmänneeni, mutta idea on ilmeinen. Luulen tosin, että sitä on vaikea saada toimimaan – toisella siivulla olevan aineen gravitaatio meidän suhteemme on erilaista kuin meidän siivullamme olevan aineen gravitaatio.

  4. Cargo sanoo:

    Miten symmetrisesti tuo pimeä aine on jakautunut suhteessa tavalliseen aineeseen? Jos siis pimeän aineen jakautuminen ei korreloi tavallisen aineen kanssa, niin silloin tuskin on kyse painovoimateorian kauneusvirheestä, vaan itsellisestä ainetyypistä. Toisekseen, jos pimeä aine vuorovaikuttaa kovin heikosti, niin luulisi mineraaleihin syntyvän vain elastisia pommitusjälkiä, jolloin koko analyysi on yhtä tyhjän kanssa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pimeän aineen jakauma on selvästi erilainen kuin näkyvän aineen. Juuri tämän takia on vaikea selittää havaintoja gravitaatiolakia muuttamalla, aivan kuten sanot. Aiheesta hieman täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/

      Pimeän aineen hiukkaset eivät suoraan saa aikaan naarmuja. Niiden törmäykset tosiaan luultavimmin ovat elastisia. Ne tönäisevät ytimiä sijoiltaan, ja ytimet naarmuttavat kiveä.

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Tietämättä pimeän aineen hiukkasten kokoa, muotoa, nopeutta ja muita ominaisuuksia on täysin mahdotonta sanoa, millaisia niiden törmäysten vaikutukset ovat. En ymmärrä myöskään, mitä tarkoittavat kivien naarmut? Kun lähdetään maan pinnalta kohti maapallon ydintä lämpötila kasvaa ja aiheuttaa kivien ja muiden materiaalien atomeissa lämpöliikettä, Tämä voidaan nähdä kiteisen aineen röntgendiffraktiolla määriteyissä rakenteissa. Kuinka siis voidaan erottaa pimeän aineen hiukkasen elastisen tönimisen vaikutus tästä lämpöliikkeestä?

        Tuosta n-ulotteisesta (n > 3) avaruudesta sanon, että tuskinpa se auttaa meitä ymmärtämään tätä ympäröivää todellisuutta.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kuten tekstissä sanotaan, pimeän aineen hiukkasten nopeus tiedetään. Kuten tekstissä sanotaan, niiden vuorovaikutus tavallisen aineen kanssa riippuu siitä, millaisesta pimeän aineen hiukkasesta on kysymys. Monissa pimeän aineen malleissa vuorovaikutus aiheuttaa elastisen törmäyksen.

          Sopivissa materiaaleissa jäljet säilyvät satoja miljoonia vuosia lämpöliikkeestä huolimatta. Yksityiskohtia löytyy artikkeleista, jotka on linkattu sanoissa ”kiehtovaa versiota”.

          1. Erkki Kolehmainen sanoo:

            Miten pimeän aineen hiukkasten nopeus voidaan tietää. jos niitä ei ole koskaan havaittu? Sama koskee niiden törmäyksen luonnetta?

            Mitä ovat nuo sopivat materiaalit? Kemistinä olen kovin kiinnostunut niistä.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Nopeus tiedetään Linnunradan liikkeistä. Kun katsotaan, paljonko Linnunradassa on näkyvää ainetta ja miten se liikkuu, tiedetään, paljonko pimeää ainetta pitää olla, ja myös miten se liikkuu. Pimeä aine on myös oleellinen osa simulaatioita galaksien muodostumisesta, ja niiden perusteella tiedetään, millainen sen jakauma luultavasti on. Yllätyksiä (kuten paikallisia pimeän aineen tihentymiä tms.) voi toki olla.

            Törmäyksen luonteesta, ks. vastaus yllä.

            Yksityiskohtia materiaaleista löytyy artikkeleista.

          3. Syksy Räsänen sanoo:

            Lisäselvityksenä vielä: pimeä aine vaikuttaa gravitaation kautta samalla tavalla kuin muukin aine. Niinpä sen vaikutus galaksien muodostumiseen ja kehitykseen ei riipu siitä, millaisista hiukkasista se koostuu.

            Tämän takia voidaan päätellä ja mitata sen tiheys- ja nopeusjakauma galakseissa riippumatta siitä, millaisesta hiukkasesta on tarkalleen kysymys. Vastaavasti tämä on syynä siihen, miksi on vaikea selvittää sitä, millaisesta hiukkasesta on kysymys.

            Näin siis useimmissa pimeän aineen malleissa, kaikenlaisia mahdollisia poikkeuksia on toki tutkittu.

  5. Erkki Tietäväinen sanoo:

    Sanot näin: ”Kuten tekstissä sanotaan, pimeän aineen hiukkasten nopeus tiedetään”. Miten voidaan TIETÄÄ hiukkasen nopeus, jos sitä ei ole voitu havaita eikä mitata? Kyse lienee siis vain olettamuksesta, teoriasta joita kosmologiassa näyttää rittävän tuskallisen paljon.

  6. antero sanoo:

    voiko pimeeää ainetta havaita heikon vuorovaikutuksen kautta
    vai miten se menee?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jos pimeä aine vaikuttaa Standardimallin heikon vuorovaikutuksen kautta, se on paras tapa havaita se. On myös olemassa pimeän aineen hiukkasia, jotka eivät tunnen heikkoa vuorovaikutusta.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Vapaus, sivistys, itsehallinto

19.2.2020 klo 15.22, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Juttelen maanantaina 2.3. kello 17 Tiedekulmassa tutkimuksen vapaudesta, sivistyksestä ja itsehallinnosta yliopistolla tilaisuudessa. (Facebook-tapahtuma tässä.)

Mukana paneelissa ovat myös Helsingin yliopiston kansleri Kaarle Hämeri, opiskelijavaikuttaja Sanni Lehtinen sekä kansanedustajat Atte Harjanne (vihr), Veronika Honkasalo (vas) ja Jouni Ovaska (kesk).

Keskustelua alustavat Tampereen yliopiston konsistorin jäsen Hanna Kuusela, Oulun yliopiston hallituksen jäsen Petri Lehenkari ja Helsingin yliopiston hallituksen jäsen Jukka Kekkonen.

Tapahtuman kuvaus on seuraava:

Toteutuuko tutkimuksen vapaus? Mitä tieteellinen ja taiteellinen sivistystehtävä vaatii? Entä kenelle kuuluu itsehallinto nyky-yliopistoilla? 

Tilaisuudessa keskustellaan yliopistojen johtamisesta ja yliopistodemokratiasta, sivistyksen merkityksestä sekä tutkimuksen ja opetuksen vapaudesta yliopistojen arjessa kymmenen vuotta uuden yliopistolain hyväksymisen jälkeen.

Tilaisuuden järjestävät yhteistyössä Helsingin yliopiston valtiotieteellinen tiedekunta, Kohti parempaa yliopistomaailmaa -tutkimushanke (Tampereen yliopisto), Politiikasta-lehti, tiede- ja tietokirjakustantamo Vastapaino sekä Yliopistokäänne.

5 kommenttia “Vapaus, sivistys, itsehallinto”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Tutkimuksen vapauteen oleellisesti liittyen tilaisuudessa voisi käsitellä biofysiikan professri Arto Annilnn tapausta varsinkin, kun eräänä tilaisuuden järjestäjänä on Vastapaino, joka kustansi Annilan kirjan Kaiken maailman kvantit.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mitä tarkoitat?

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Tarkoitan sitä, että puhdasoppisuuden vahtikoirat eivät ole näköjään kuolleet sukupuuttoon. Galileo Galilei pantiin kotiarestiin, Giordano Bruno poltettiin roviolla, David Bohm ajettiin maanpakoon ja Arto Annila erotettiin kerettiläisyyden vuoksi,.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Mihin perustat väitteesi, että Arto Annila ”erotettiin kerettiläisyyden vuoksi”?

          1. Erkki Kolehmainen sanoo:

            Koska Arto Annila osoittaa, ettei pimeää ainetta tarvita laajenevan maailmankaikkeuden selittämiseen. Fysiikan ns. standardimallissa pimeällä aineella on keskeinen rooli, joten tässähän sitä kerettiläisyyttä onkin riittävästi. Minun osaltani tämä debatti loppuu nyt tähän. Historia on lahjomaton tuomari ja ratkaisee tämänkin dilemman kuten on tapahtunut monta kertaa aiemminkin.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Sattuman kauppaa

30.1.2020 klo 21.58, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Olen kirjoittanut tutkimusrahoituksen hakemisen ongelmista lähinnä hakijan näkökulmasta. Ajattelin nyt katsoa asiaa enemmän arvioijan vinkkelistä. Olin viime syksynä, ja sitä ennen vuonna 2015, Helsingin yliopiston kolmivuotisten tutkimusmäärärahojen arviointipaneelissa, joten käytän sitä esimerkkinä. Olen arvioinut hakemuksia ja tutkijoita myös Etelä-Afrikan kansalliselle tutkimussäätiölle, Iso-Britannian Royal Societylle ja Puolan kansalliselle tiedekeskukselle.

Helsingin yliopiston kolmivuotinen tutkimusmääräraha on 50 000 € vuodessa, mikä kattaa yhden jatko-opiskelijan palkan (plus matkakuluja ja muita pieniä kuluja kuten julkaisumaksuja) tai melkein yhden väitelleen tutkijan palkan. Vuonna 2019 rahaa oli jaossa yhteensä 2.55 miljoonaa euroa.

Hakemukset jaetaan tiedekunnan mukaan paneeleihin, joissa on 4-6 jäsentä. Ensimmäisellä kierroksella paneeli valitsee jatkoon lupaavimmat hakijat, joilta pyydetään tarkempi hakemus. Toiselle kierrokselle selvinneet paneeli laittaa paremmuusjärjestykseen. Yliopiston tutkimusneuvosto antaa paneelien lausuntoihin nojaten ehdotuksen rehtorille, joka tekee päätöksen rahan saajista.

Arviointi tehdään Helsingin yliopiston henkilökunnan voimin. Tässä on se hyvä puoli, että rahaa ei mene ulkoisten arvioijien matkakuluihin ja palkkioihin, vaan kaiken budjetoidun rahan voi antaa määrärahoina. Tietysti hakemusten arviointiin kuluva työaika on poissa muista tehtävistä (erityisesti tutkimuksesta, josta joustavimpana leikataan ensimmäiseksi), mutta en tiedä paljonko tätä huomioidaan rahoitusinstrumenttien tehokkuutta arvioidessa.

Huono puoli on se, että koska tutkimusyhteisö on tiivis, monet paikallisista tutkijoista jotka ovat päteviä arvioimaan tietyn hakemuksen tieteellisiä ansioita ovat siihen myös jäävejä. Kun hakemuksia tulee monelta alalta ja tutkimuskohteet ovat erikoistuneita, paneelin jäsenet joutuvat arvioimaan hakemuksia aiheista, joista he eivät tiedä mitään. (Mainittakoon, että Suomen Akatemia käyttää ulkomaisia arvioijia, joista ainakin osa on alan asiantuntijoita.)

Niinpä kaikkein tärkeimpiä asioita, kuten miten ehdotus sijoittuu tutkimuksen kentälle, miten merkittävä tutkimuskysymys on ja millaista edistystä siinä voi odottaa, voi usein ottaa huomioon vain hyvin rajallisesti. Omalta osaltani voin sanoa, että oli poikkeus, kun pystyin arvioimaan hakemuksen tieteellisiä ansioita. Usein voi vain luottaa hakijan esittämiin väitteisiin työn tärkeydestä, mikä palkitsee suuret puheet, ei realistisia arvioita.

Hakemuksia sitten arvioidaan niiden asioiden perusteella mitä ymmärretään, kuten hakijan numeerisesti mitattavat ansiot (julkaisujen määrä, aiemmat apurahat, kokemus tutkimusryhmien johtamisesta) ja se miten selvästi hakemus on kirjoitettu. Tässä voivat nousta tärkeiksi sellaiset seikat, jotka ovat tutkimuksen tekemisen kannalta aivan yhdentekeviä, kuten onko aikataulu yksityiskohtainen ja onko siitä Gantt-kaavio.

Toissijaisiin seikkoihin nojautumista pahentaa se, että laadukkaita hakemuksia on paljon enemmän kuin niitä, joita voidaan rahoittaa, ja jotenkin hakemukset pitää erottaa toisistaan.

On nurinkurista, että rahahakemuksia arvioidaan paljon epämääräisemmin ja sattumanvaraisemmin kuin tieteellisiä artikkeleita, vaikka tutkimusrahoituksen saaminen on tutkijalle paljon merkittävämpi meriitti kuin artikkelin julkaiseminen tietyssä lehdessä.

Artikkelien vertaisarviointiin kuuluu kirjoittajan ja arvioijan välinen dialogi. Minulle on artikkelin vertaisarvioijana käynyt niin, että olen virheellisesti luullut artikkelissa olevan ongelman, ja kirjoittaja on voinut osoittaa, että olen väärässä. Tämä siitä huolimatta, että kyse on artikkeleista, joiden alan tunnetun hyvin ja joiden arviointiin käytän enemmän aikaa kuin rahahakemusten (en usko olevani tässä yksin). Tutkimusrahoituksen kohdalla on sen sijaan yleinen käytäntö, että hakija ei voi kommentoida arvioita, eikä välttämättä edes saa niitä tietoonsa.

Niinpä hakuprosessissa on paljon satunnaisuutta, ja on kyseenalaista, tuottaisiko samojen hakemusten arvioiminen eri paneelilla samaa tulosta. Toistettavuuden parantaminen, esimerkiksi antamalla mahdollisuus kommentoida arvioita, kuitenkin lisäisi ennestään hakemusprosessiin meneviä resursseja, ja niitä kuluu jo nyt kohtuuttomasti.

Edellisen merkinnän kohdalla kysyttiin, mikä sitten olisi ratkaisu. Erilaisia rahoitusmalleja on pohdittu, ja kilpaillun rahoituksen osuus on iso kysymys, jota olisi syytä miettiä. Mainitsen tässä vain neljä pientä ehdotusta.

Ensinnäkin, aiempaa tutkimusrahoitusta ei pitäisi käyttää mittarina tutkimusrahoitusta ja työpaikkoja jaettaessa. Tutkijoiden vertaaminen ei ole helppoa, joten on houkuttelevaa ulkoistaa vastuu aiemmille arvioijille. Rahoitusprosessien tulokset ovat kuitenkin epäluotettava mittari, koska ne eivät ole toistettavissa. Tutkijoilla on paljon erilaisia meriittejä: artikkelien sisältö, lukumäärä ja julkaisukanavat, puheiden sisältö, lukumäärä ja pitopaikat, artikkelien saamien viitteiden määrä, edelliset työpaikat, opetuskokemus, palkinnot ja niin edelleen. Näistä tutkimusrahoituksessa lienee eniten satunnaisuutta.

Toisekseen, jatko-opiskelijoiden rahoitus pitäisi saada vakaalle pohjalle ja hoitaa keskitetysti, ei jättää sitä ohjaajien hakemusten ja apurahojen varaan. Sattumanvaraisuutta ja epävarmuutta rahoituksessa tulisi muutenkin vähentää. Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta on viime vuosina antanut rahaa hakijoille, jotka menestyvät Suomen Akatemian tai Euroopan tutkimusneuvosto ERC:n hauissa, mutta eivät saa rahoitusta. Tämä on esimerkki siitä, miten voidaan välttää raskas hakuprosessi käyttäen olemassa olevia (sinänsä ongelmallisia) arvioita. Käytäntö myös lieventää sitä ongelmaa, että jos rahaa ei saa, hakemukseen käytetty aika on mennyt hukkaan.

Kolmannekseen, arvioijia tulisi kouluttaa ja ohjeistaa paremmin. Nykyään käytetään yhä enemmän aikaa siihen, että tutkijoita koulutetaan kirjoittamaan hakemuksia, mutta niiden arvioijilla ei välttämättä ole mitään koulutusta tehtävään. Opastuskin on usein puutteellista.

Vuonna 2015 huomautin siitä, että yliopisto ei antanut ohjeita sukupuolen huomioimiseen hakemuksia arvioidessa: pitäisikö yhtä hyvien hakemusten kohdalla suosia hakijaa, jonka sukupuoli on alalla aliedustettuna vaiko ei? Nyt neljä vuotta myöhemmin ohjeita ei vieläkään ollut. Myöskään omien ennakkoluulojen tunnistamisesta ei ollut mitään ohjeita. Kysyttäessä kerrottiin, että tutkimusneuvosto hoitaa sukupuolikysymyksen. Mutta sinne mennessä hakemukset ovat käyneet jo läpi yhden leikkurin, eikä pois jätettyjä hakemuksia voi ottaa huomioon. Diversiteettin ja tasapuolisuuden parantamiseen tähtäävät käytännöt –mitä ne ovatkaan– pitää toteuttaa kaikilla tasoilla, ensimmäisistä arvioista alkaen.

Neljännekseen, olisi syytä tunnustaa tutkimusrahoitukseen liittyvä satunnaisuus. Koska arvioissa on joka tapauksessa paljon satunnaisuutta, voisi säästää aikaa ja vaivaa tekemällä prosessista avoimesti satunnaisen. Paneeli voisi karsia pois huonot hakemukset ja rahansaajat voitaisiin arpoa jäljelle jääneiden joukosta – mahdolliset painotukset tieteenalojen, sukupuolen ja muiden tiedepoliittisten seikkojen huomioimiseksi on helppo ottaa arvonnassa huomioon.

Fysiikan instituutti FQXi jakoi vuodesta 2006 alkaen pieniä apurahoja tällaisella menetelmällä, mutta nyt järjestelmä on ilmeisesti muuttunut. Nature raportoi, että muutkin rahoittajat ovat käyttäneet arvontaa, esimerkiksi Uuden-Seelannin terveystutkimusneuvosto ja Sveitsin kansallinen tiedesäätiö SNSF.

Arvonta säästää hakemusten tekemiseen ja arvioimiseen menevää aikaa ja vähentää ennakkoluulojen merkitystä. Samalla on mahdollista vetää raja siitä, ketkä pääsevät toiselle kierrokselle (eli arvontaan) vain hakemusten laadun perusteella. Nykyään toiselle kierrokselle otettavien hakemusten määrä on rajattu, joten oleellisesti yhtä hyvältä vaikuttavat hakemukset voivat päätyä tai olla päätymättä jatkoon, koska jokseenkin yhtä hyviä hakemuksia on paljon.

Naturen artikkelissa mainitaan myös vähemmän ilmeinen hyöty: kun kaikki tietävät, että rahan saaja on päätetty avoimen sattumanvaraisesti (toisin kuin nykyään, missä kyse on peitellystä sattumanvaraisuudesta), rahan saamista ei pidetä yhtä isona meriittinä. Täten saajat eivät pidä itseään niin paljon muita parempina – ja oletettavasti rahatta jääminen ei ole yhtä paha isku. Rahoituspäätökset kun ovat omanarvontuntokysymyksiä, vaikka tietäisi, että päätökset eivät luotettavasti mittaa pätevyyttä.

Rahoituksen arpominen vaikuttaa mielekkäältä vaihtoehdolta silloin, kun päteviä hakijoita on selvästi enemmän kuin myönnettäviä määrärahoja, ja luotettava erottelu niiden välillä vaatisi merkittävästi enemmän resursseja kuin mitä siihen ollaan valmiita laittamaan tai on mielekästä laittaa. Tämä on Helsingin yliopiston kolmivuotisten määrärahojen tilanne.

Ei ole selvää, tuottaisiko arvonta parempia tuloksia kuin nykyinen järjestelmä. Vastaavasti ei ole selvää, onko nykyinen järjestelmä parempi kuin arvonta. Tutkimusrahoituksen järjestelmät eivät ole evidence-based, eli ne eivät perustu tutkittuun tietoon ja kattaviin arvioihin eri vaihtoehdoista, joissa kaikki tekijät (kuten hakemuksiin käytetty aika ja niissä vaaditun liioittelun vääristävät vaikutukset) olisi huomioitu.

Kun hakijoille laaditaan entistä enemmän mittareita, olisi syytä kiinnittää huomiota siihen, mitä ne mittaavat ja kuinka luotettavia niiden tulokset ovat.

8 kommenttia “Sattuman kauppaa”

  1. Cargo sanoo:

    Voisiko aloittelevia tutkijoita auttaa sellainen järjestely, jossa määrätty rahasumma myönnetään lunastettavaksi, jos hakemuksen mukainen tutkimus päätyy tietyssä ajassa tietyn vaikuttavuuskertoimen julkaisuun? Rahoituksen voisi myös luvata yliopiston laitokselle, joka tekisi palkattavan tutkijan suhteen riski-investoinnin. Samalla myös vältyttäisiin myönnetyn rahoituksen aiheuttamalta veltostumiselta 🙂

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tutkimuksen kulkua voi harvoin ennustaa. Yleensä tutkimussuunnitelmat eivät kerro siitä, mitä oikeasti tehdään, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/fantasiakirjallisuuden-arvioimista/

      Monissa Kiinan yliopistoissa tutkijoille todella maksetaan artikkelien julkaisemisesta, ja rahaa saa sitä enemmän mitä arvostetumpi lehti on kyseessä. Tämä kannustaa artikkelien nopeaan julkaisemiseen, eikä nähdäkseni ole omiaan parantamaan tutkimuksen laatua.

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Oli syy sitten mikä tahansa, niin Kiinan tiede nousee voimakkaasti. 1oo:n parhaan yliopiston ranking-listalla v. 2019 on kuusi Kiinan kansantasavallan yliopistoa ja pari hongkongilaista. Paras kiinalainen oli Tsinghua University sijalla n:o 17. Tutkimus on myös laadukasta, koska Wikipedian mukaan
        ”The Royal Society in a 2011 report on academic publishing stated that in share of English scientific research papers the United States was first followed by China, the UK, Germany, Japan, France, and Canada. The report predicted that China would overtake the United States some time before 2020, possibly as early as 2013. China’s scientific impact, as measured by other scientists citing the published papers the next year, is smaller although also increasing. An analysis of ISI Web of Knowledge data found that China had increased its share of the most highly cited science articles from 1.85% in 2001 to 11.3% in 2011. By 2014 China could surpass Germany and the UK and be ranked second after the United States. The share of the United States declined from 64.3% to 50.7% during the same ten-year period.”

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Sitaattien määrä ei ole laadun mittari.

          1. Erkki Kolehmainen sanoo:

            Ei pelkästään. Sitaattien määrä on kuitenkin siinä mielessä laadun mittari, että korkean impact factor’in omaavissa lehdissä julkaistuihin artikkeleihin viitataan useammin kuin alemman tason lehdissä oleviin. Toisaalta nämä ”huippulehdet” ovat yleensä vallitsevan paradigman eli puhdasoppisuuden vankimpia kannattajia, jotka eivät julkaise editorin päätöksellä mitään ”kerettiläiseksi” luokittelemaansa materiaalia.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Päättelyssä on aukkoja.

            Ensinnäkin: se, että korkean impact factorin (IF) lehdessä julkaistuihin artikkeleihin (IF määritelmän mukaisesti) viitataan enemmän ei tarkoita sitä, että enemmän viitatut artikkelit keskimäärin julkaistaisiin korkean IF lehdissä.

            Toisekseen: se, että korkean IF lehdissä julkaistuihin artikkeleihin keskimäärin viitataan enemmän ei tarkoita sitä, että tyypilliseen sellaisessa lehdessä julkaistuun artikkeliin viitattaisiin enemmän. Korkeimman IF lehdissä suurin osa viittauksista tulee pienestä joukosta artikkeleita.

            Puuttumatta nyt siihen, että viittausten määrä, vaikka sen laskisi oikein, ei ole sinällään laadun mittari.

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Julkaisujen lisäksi kiinalaisten patentit puhuvat korkean teknologisen tason puolesta, jonka USA näkee uhkana esim. Huawein tapauksessa.

    https://www.rt.com/business/480767-china-us-patent-war/

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yritysten patenttien määrä ei ole yliopistoissa tehtävän perustutkimuksen laadun mittari (vaikka niillä onkin yhteys), ja etäisyys artikkelien julkaisemisesta maksamiseen on vielä isompi.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Lyijyä ja painoja

12.1.2020 klo 18.42, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Francis Baconin teoksen Novum Organum ilmestymisestä tulee tänä vuonna kuluneeksi 400 vuotta. Olen mielelläni siteerannut Baconin siinä esittämää huomiota, että totuus kehkeytyy ennemmin virheistä kuin sekaannuksesta. Kun tein niin taas viime syksyn kurssilla Fysiikkaa runoilijoille, ajattelin, että pitäisi varmaan lukeakin kirja. (Puhuin kirjasta hieman marraskuussa Kauniaisten musiikkijuhlilla.)

Novum Organum on tieteenhistorian keskeinen teksti. Nimi tarkoittaa uutta työkalua, ja kirjassa Bacon hahmottelee uudenlaista tapaa ymmärtää maailmaa, nimittäin (nykykielellä ilmaistuna) tieteellisiä menetelmiä ja luonnontieteellistä maailmankuvaa. Bacon oli protofyysikko: hänen ideansa ja käytäntönsä eivät olleet vielä fysiikkaa, ja niissä oli keskeisiä puutteita. Mutta hänen tekstinsä oli tärkeä harppaus matkalla filosofiasta luonnontieteeseen.

Kirjan alkupuolen kantava teema on antiikin filosofien ja heidän ihailijoidensa haukkuminen. Onkin hauska huomata, että fyysikoiden ylenkatsova asenne filosofeihin on vanhempi kuin fysiikka. Bacon jakaa filosofit ”kahteen perheeseen” joista yksi löytää uutta tiedettä ja toinen (kenties siksi, Bacon anteeksiantavasti kertoo, että sen jäsenet ovat kiireisiä tai tyhmiä) vain selittää sitä. Tämä tuo mieleen C.P. Snow’n noin 300 vuotta myöhemmin kirjoittaman valituksen siitä, miten älyköt ovat jakautuneet ”kahteen kulttuuriin”, luonnontieteelliseen ja humanistiseen.

Bacon vertaa sitä, miten filosofisiin pohdintoihin nojaava luonnon ymmärtäminen oli polkenut antiikin ajoista paikallaan siihen, miten käsityöt, metallityöt, kellojen tekeminen ja muu teknologia oli edistynyt. Myös tutkimusmatkat osoittivat, että maailma on antiikin ideoita laajempi ja siinä oli uutta löydettävää.

Teksti kertoo muutoskaudesta, jolloin horisontit avautuivat. Fysiikan sanastoa ei vielä ollut, ja Bacon lainaa sanoja oikeustieteestä (vieläkin puhutaan fysiikan laeista), kieliopista, tähtitieteestä, valtiotieteestä (fysiikan hyödyntäminen näyttäytyy samanlaisena valloittamisena ja alistamisena kuin valtioiden tutkimusmatkat ja vallankäyttö) ja lääketieteestä.

Bacon peräänkuuluttaa auktoriteettien hylkäämistä ja pidättyneisyyttä kannan ottamisessa ennen kuin asioista on kunnollista tietoa. Bacon kirjoittaa toivovansa, että hänen ideoidensa seuraajia ei muisteta siitä, että he olisivat tehneet mitään suurta, vaan siitä, että he antoivat vähemmän arvoa asioille, joita pidetään suurina. Bacon on armoton kuvatessaan aikansa tieteen tilaa: ”Nykyinen ihmisten ajattelu on romukasa, joka on rakentunut monista uskomuksista ja sattumuksista, sekä lapsellisista käsityksistä, joita imimme varhaisina vuosinamme.”

Vastalääkkeeksi Bacon korostaa asioiden yksityiskohtaista tarkkailua, havaintojen laajaa kirjaamista muistiin, sekä havaintojen tekemistä ideoiden pohjalta ja ideoiden tarkistamista havainnoilla. Havaintojen käyttäminen maailman ymmärtämisessä ei ollut uusi idea. Bacon kuitenkin oivalsi, että kannattaa erikseen järjestää tilanteita joita havaita (esimerkiksi lämmittää ilmaa leilissä) – eli tehdä kokeita.

Idea kokeista oli niin uusi, että Bacon käyttää sekaisin sanoja koe ja kokemus, erottelematta kielessä välittömiä kokemuksia ja niiden heikkouksia välttämään pyrkiviä järjestelyitä.

Bacon jakaa kokeet kahteen joukkoon: niihin, joiden tuloksista on välitöntä hyötyä ja niihin, jotka kantavat hedelmää vasta myöhemmin. Hänen varoituksensa ajatella pitkää aikajännettä ja olla panostamatta vain edellisiin pikavoittojen toivossa tuntuu kaukonäköiseltä. Bacon oli aikaansa edellä myös korostaessaan instituutioiden ja ihmisryhmien merkitystä kokeiden tekemisessä, ottaen mallia laivanrakennuksesta ja muusta teknologisesta toiminnasta, mikä oli perinteiselle filosofiselle lähestymistavalla vierasta. Bacon myös teroittaa laitteiden (kuten mikroskoopin ja teleskoopin) tärkeyttä havaintojen laajentamisessa välittömien aistikokemusten tuolle puolen. Tässä ollaan sittemmin edetty alueille, joista Bacon ei osannut edes uneksia: nykyään tiedämme, että suurin osa maailmankaikkeudesta on meille näkymätöntä, ja on selvää, että kokeita voi tehdä vain laitteilla.

Bacon pitkät luettelot havainnoista ja niihin liittyvistä kysymyksistä osoittavat miten vähän tuolloin tiedettiin asioista jotka ovat nykyään itsestään selviä. Bacon ei esimerkiksi tee eroa lämmön ja lämmön kokemuksen välillä – niinpä käteen lämpimältä tuntuva turkki on hänelle samanlainen lämmön lähde kuin nuotio. Henget ovat vielä keskeinen tapa ymmärtää aineen ominaisuuksia, vaikka ne tuntuvat jo riisutuilta yliluonnollisesta painolastista. Teksti ei avaa vain sitä, miten paljon nykyään tiedämme, vaan myös sitä, miten pieni määrä käsitteitä selittää paljon. Esimerkiksi se, että ilma koostuu hiukkasista selittää äänen, lämmön, paineen ja sen miksi jotkut asiat nousevat ylös tai painuvat alas, mutta Baconin aikaan nämä olivat kaikki erillisiä kysymyksiä.

Bacon ajatteli, että totuuden saa selville tekemällä kattavasti kaikenlaisia havaintoja ja nousemalla niiden avulla tikas kerrallaan, vailla tarvetta filosofisille oletuksille ja teorioille. Yksittäisistä havainnoista ei kuitenkaan ole mahdollista selvittää yleisiä lakeja ilman oletuksia, sen enempää filosofiselta kannalta kuin käytännössä.

Teoreettisessa fysiikassa puhutaan nykyään kahdesta lähestymistavasta, bottom-up ja top-down, eli pohjalta ylös ja huipulta alas. Edellinen on lähellä Baconin ideaa siitä, miten ymmärrys rakennetaan etenemällä siitä, mitä voimme nyt havaita. Jälkimmäisessä lähdetään teoreettisista ideoista, jotka ovat kaukana siitä mitä tiedämme todeksi.

Fysiikassa on edetty molempia reittejä; yleinen suhteellisuusteoria ja kosminen inflaatio ovat esimerkkejä ideoista, jotka kehitettiin kaukana tunnetusta fysiikasta ja havainnoista, mutta jotka ovat olleet erittäin ennustusvoimaisia. Baconilta puuttunut pala, joka on tehnyt tämän mahdolliseksi, on matematiikan käyttäminen teorioiden täsmälliseen ilmaisemiseen ja kehittämiseen. Tämä vallankumous alkoi pian Baconin jälkeen, ja vuonna 1687 Isaac Newton julkisti ensimmäisen fysiikan teorian, klassisen mekaniikan.

Matemaattisilla malleilla on omat rakenteensa, jotka eivät vain tiivistä havaintoja ja ennusta uusia, vaan myös kanavoivat ajattelua tiettyihin suuntiin ja sulkevat toisia pois. Bacon tunsi hyvin sen ongelman, että arkiajatteluun perustuvat filosofiset pohdinnat voivat harhautua minne sattuu, koska ei ole rakennetta niitä ohjaamaan:

”Meidän ei tarvitse antaa ihmisten ymmärrykselle siipiä, vaan ennemmin lyijyä ja painoja, jokaisen hypähdyksen ja pyrähdyksen hillitsemiseksi. Eikä tätä ole ennen tehty; mutta kun se on tehty, voimme toivoa tieteeltä enemmän.”

Matemaattisia rakenteita on toki lukuisia, ja huipulta alas kulkeva reitti voi juuttua paikalleen, jos on valinnut rakenteen, joka ei kuvaa todellisuutta tai jossa on vaikea edetä, kuten säieteorian multiversumipohdinnat osoittavat.

Baconin esittämä kokeellinen ja rationaalinen tarkastelutapa tuntuu nykynäkökulmasta ilmeisen yksinkertaiselta. Se, miten myöhään nuo ideat keksittiin kertoo kuitenkin, miten vaikea ne oli löytää. On hankala vieroittua siitä, mitä on oppinut ja vaikea kehittää uutta mittatikkua, jolla arvioida ajattelun perusteita. Tässä ympäristön vaikutus on keskeistä: ihmisen ajattelu kasvaa suhteessa muihin ihmisiin ja tieteen edistys kietoutuu yhteiskunnan kehitykseen.

Baconin lukeminen muistuttaa myös siitä, että tieteellinen maailmankuva on lähestymistapa totuuden selvittämiseen, ei kokoelma lausuntoja siitä, mikä on totta.

15 kommenttia “Lyijyä ja painoja”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Mielenkiintoinen kirjoitus Francis Baconin ajattelusta. Wikipedia kertoo seuraavaa hänen uskonnollisista käsityksistään.

    He believed that philosophy and the natural world must be studied inductively, but argued that we can only study arguments for the existence of God.

    In his Essays, he affirms that a little philosophy inclineth man’s mind to atheism, but depth in philosophy bringeth men’s minds about to religion.

    Francis Bacon kuoli v. 1626 Highgate’ssa.Lontoon ulkopuolella, Nyt Highgate on Lontoon kaupunginosa, jonne pääsee metrolla. Lienee kohtalon ivaa, että siellä on hautausmaa, missä on Karl Marxin hauta. Marx nimittäin sanoi, että uskonto on oopiumia kansalle.

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: ”Baconin lukeminen muistuttaa myös siitä, että tieteellinen maailmankuva on lähestymistapa totuuden selvittämiseen, ei kokoelma lausuntoja siitä, mikä on totta”.
    Räsänen aiemmin: ”Kuten Bohr aikoinaan lausui: ”On väärin ajatella, että fysiikan tehtävänä olisi selvittää, millainen maailma on. Fysiikka käsittelee sitä, mitä voimme sanoa maailmasta.””

    Tuntuu joskus siltä, että tämä selvittelijöiden määrä siitä ”millainen maailma on” on solipsismmin ja ”ajatusdemokratian” hengessä vain lisääntynyt. Ongelmahan syntyy osaltaan siitä, että teoreettinen nykyfysiikka kera vaikean matematiikan koetaan liian monimutkaiseksi ja monasti ontuva popularisointikin ennemminkin sotkee kuin selvittää. Uskonnot etsivät tässä suhteessa (mielestäni heppoista) ”oikotietä totuuteen”. Toki tuo Bohrin ajatelma oli kohdistettu Einsteiniin, mutta nykyään lähes jokainen tavismielipide fysiikastakin katsotaan oikeutetuksi (helpon saatavuuden ja vapaan kirjoittelun netti vain lisää tätä sekahedelmäsoppaa).

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Bohrin idea oli radikaali: hän tarkoitti sitä, että kvanttimekaniikka kuvaa tekemiämme havaintoja, mutta ei ole mielekästä kysyä todellisuudesta havaintojen takana. (Idea ei ole yleisesti hyväksytty.)

      Tässä oli kyse vaatimattomammasta asiasta.

  3. Cargo sanoo:

    ”Bacon peräänkuuluttaa auktoriteettien hylkäämistä ja pidättyneisyyttä kannan ottamisessa ennen kuin asioista on kunnollista tietoa.”

    Tuon perusteella Bacon tulisi filosofeista toimeen ainakin Ludwig Wittgensteinin kanssa, sillä mistä ei voi (käsitteellisesti) puhua täytyy vaieta.

    Mutta mikä mahtoi olla Baconin selitys omenan putoamiselle? Sortuiko hän itse selittämään luontoa syvällisen filosofisen pohdinnan avulla 🙂

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Bacon kirjoittaa painovoimasta ja magnetismista (joita pidettiin toisiinsa liittyvinä ilmiöinä) siltä kannalta, että miten asiaa kannattaa lähteä selvittämään.

      Bacon oli toki monissa asioissa kiinni aikansa käsityksissä, hän esimerkiksi ajatteli, että hyönteiset syntyvät liasta.

  4. Juha sanoo:

    Miten näet koneoppimisen kautta tehdyt selitykset/ennusteet (kuten esim. vastikään uutisoitu 3 kappaleen ongelman ratkaisu). En ole tuon mallin sisään katsonut, mutta uskoisin että kysessä on ”musta laatikko”, joka osaa ennustaa havainnot hyvin. Emme kuitenkaan pysty useinkaan tulkitsemaan mm. neuroverkkojen mallia ja malliparametreja samaan tapaan kuin tyypillisiä fysikaalisia tai tilastollisia kaavoja (koska alla voi pyöriä hierarkkinen epälineaarinen malli, jolle ei edes haluta tulkintaa). Lähtökohtaisesti tämä on toki havaintojen tasolta ylöspäin menemistä, mutta vastauksena emme saa kaavaa tai tulkittavia parametrejä. Voiko fysiikka jatkossa mennä tähän suuntaan ja lisääkö se oikeasti ymmärrystämme fysiikasta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Numeeriset laskut ovat jo vuosikymmeniä tärkeä osa fysiikkaa. Ne eivät syrjäytä ymmärrystä vaan tukevat sitä.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Jätän julkaisematta lisäkommentit tämän asian tiimoilta, kun se on merkinnästä melko etäinen.

  5. TimoK sanoo:

    Tässä yhteydessä voi ehkä kysyä, miksi suomenkielessä käytetään termiä ”inflaatio” tarkoittamaan maailmankaikkeuden alussa tapahtunutta eksponentiaalisen laajenemisen vaihetta?

    Nimittäin inflaatio tuo ensimmäisenä mieleen rahan arvon pienenemisen, intuitiivisesti siis täysin päinvastaisen asia kuin suureneminen.

    Liekö kysymys käännösvirheestä kun englanninkielinen termi ”inflation” tarkoittaa mm laajentumista tai täyttymistä – mikä onkin huomattavasti kuvaavampi termi. Ja varmaan kuvaavaa suomenkielistä termiä voi olla vaikea keksiä, ”kosminen täyttyminen” ainakin kuulostaa omaan korvaan vähän oudolta vastineelta termille ”cosmic inflation”.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Englannin ”inflation” tarkoittaa paisumista. Taloudessa se viittaa hintojen kasvuun, kosmologiassa avaruuden.

      1. TimoK sanoo:

        Aa… niinpä tietysti, kiitoksia!

  6. Matias Slavov sanoo:

    Fysiikan ja filosofian välistä eroa ei ollut vielä 1600 alkupuolella selkeästi artikuloitu. Teoksessaan The Advancement of Learning 1605 Bacon erottelee eri tietämisen eli filosofian lajit; kyse ei ole filosofian ja luonnontieteen välisestä erottelusta kuten anakronistisesti väität. Vielä Newtonin Principian kolmas painos 1726 on ymmärrettävissä luonnonfilosofiseksi työksi (jos kiinnostaa, olen argumentoinut asiasta hieman pidemmin täällä https://www.areiopagi.fi/2015/10/isaac-newtonin-principia-tiedetta-vai-filosofiaa/).

    Ennen toista maailmansotaa tärkeät fyysikot kuten Einstein, Heisenberg ja Schrödinger olivat hyvin kiinnostuneita filosofiasta ja arvostivat sitä. Esim. Einstein tunsi filosofian klassikkoja hyvin, ja monet hänen julkaisuistaan käsittelivät aikansa johtavaa tieto-oppia ja tieteenfilosofiaa. Filosofia ja metafysiikka eivät ole yksiselitteisesti erotettavissa monissakaan tapauksissa, kun puhutaan esim. ajan luonteesta, luonnonlakien olemassaolosta ja syyseuraus-suhteen merkityksestä.

    Monien fyysikkojen filosofian vastaisuudelle nykyään on varmasti useita syitä. Yksi merkittävä on puutteelliset tiedot/opinnot tieteenfilosofiassa ja tieteenhistoriassa. Toista maata ovat filosofisesti sivistyneet fyysikot kuten Rovelli, Caroll, Smolin, Greene, Romero ja Dieks, jotka eivät esitä lapsellisia väitteitä filosofian nykytilasta, ja jotka ymmärtävät filosofian ja tieteen yhteen kietoutuneen historian.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En suinkaan väitä niin. Kirjoitan, että ”Bacon jakaa filosofit ”kahteen perheeseen””.

  7. Matias Slavov sanoo:

    Vertaat hänen erotteluaan Snow’n kahtiajakoon. Minusta tuo rinnastus on harhaanjohtava, ja antaa väärän kuvan sekä filosofian/fysiikan historioiden suhteista että niiden nykyisestä suhteesta.

    1. Cargo sanoo:

      Antiikin aikana omenan tippuminen puusta selitettiin siten, että omenoilla on taipumus tippua. Tuollaisen filosofian ainoa opetus on se, ettei syvällisen filosofisen pohdinnan avulla pääse oikeassa elämässä puusta pitkälle. Fysiikka – todellinen tiede – mallintaa perusasioiden välisiä suhteita, jolloin etenevä aika on vain tarkasteltavan systeemin entrooppista muutosta kuvaava parametri. Suhteellisuusteria rakentuu muutaman kokeellisen periaatteen varaan, ja kvanttimekaniikassa epätarkkuusperiaatteen voi pelkistää systeemin informaatiosisällön rajallisuuteen ja lomittumisen taas systeemin avaruudelliseen kokoon. Modernina aikakautena ei fenomenologisille pohdiskelijoille tarvitse juuri korviaan lotkauttaa, elleivät nämä ole valmiita newtonilaisittain rakentelemaan malleja sekä niitä vastaavia koejärjestelyitä. That is, cut the bullshit.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Tiedeuutisten knopit

31.12.2019 klo 00.20, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vuodenvaihteen ratoksi maamme suurin julkinen media Yle tarjoaa ”perinteisen” tiedevisan, jossa voi testata ”ovatko tiedeuutisten knopit hallussa”. Kysymys 8/15 on seuraava:

Pimeää ainetta tutkiva Tommi Tenkanen on esittänyt maailmankaikkeuden alun tapahtumille tavanomaisesta käsityksestä poikkeavaa järjestystä. Millaista?

A) Ensin tapahtui maailmankaikkeutta rajusti laajentanut kosminen inflaatio ja vasta sen jälkeen tapahtui kuuma alkuräjähdys.

B) Ensin oli kuuma alkuräjähdys, joka muuttui kylmän alkuräjähdyksen kautta kosmiseksi inflaatioksi.

C) Maailmankaikkeus räjähti kerralla lähes nykyiseen kokoonsa.

Tämä on varoittava esimerkki tiedeuutisoinnin vastuuttomuudesta. Tommi Tenkanen ei ole esittänyt mitään yllä olevista vaihtoehdoista – ja mikä pahempaa, ne ovat kaikki harhaanjohtavia.

Termillä ”alkuräjähdys” saatetaan viitata joko maailmankaikkeuden alkuun, nykyisen aineen syntyyn kosmisen inflaation lopussa tai sarjaan inflaation jälkeisiä tapahtumia. (Asiaa on puitu täällä ja täällä; selkeintä olisi välttää koko sanaa ja puhua vaikka maailmankaikkeuden alusta tai aineen synnystä.)

Ensimmäisessä tapauksessa vaihtoehto A on sanan ”alkuräjähdys” määritelmän vastainen, kahdessa jälkimmäisessä se on sanan määritelmän mukaan totta. Virke A ei siis kerro siitä, millainen maailma on, vaan siitä, miten sanoja käytetään.

Vaihtoehdossa B esiintyvä ”kylmä alkuräjähdys” on menneiden aikojen jäänne, jolla on suunnilleen yhtä paljon tekemistä nykytieteen kanssa kuin eetterillä. (En olisi ilman Googlen apua edes tiennyt mitä se tarkoittaa.)

Vaihtoehdossa C on yhdistetty tavallinen väärinkäsitys ja karkea epätotuus. Onnettomasti valitusta nimestään huolimatta ”alkuräjähdys” ei ole räjähdys. Maailmankaikkeuden jatkuva laajeneminen taasen on suunnilleen yhtä hyvin varmennettu asia kuin Maapallon pyöreys.

Yllä siteerattu”tiedeknoppi” on kysymyksiltään suunnilleen yhtä järkevä kuin alla oleva historian kysymys.

Liikkuvuuden historiaa tutkiva N.N. on esittänyt Ranskan synnyn tapahtumille tavallisesta käsityksestä poikkeavaa järjestystä. Millaista?

A) Ensin tapahtui Ranskaa rajusti laajentanut Kaarle Suuren valtakausi ja vasta sen jälkeen tapahtui kova valloitus.

B) Ensin oli kova valloitus, joka muuttui pehmeän valloituksen kautta Kaarle Suuren valtakaudeksi.

C) Ranska räjähti kerralla lähes nykyiseen kokoonsa.

Fysiikasta kirjoitettaessa tällainen hölynpöly on normaalia. Vaikka kysymyksessä olisi siteerattu Tommin tutkimuksen antia oikein ja yksi vastauksista pitäisi paikkansa, tällainen ”knoppailu” olisi silti ongelmallista. Kyse ei ole vain siitä, ovatko yksittäiset asiat väärin, vaan siitä, että koko viitekehys on harhaanjohtava.

Kyselyistä ei muisteta vain oikeita vastauksia, vaan vaihtoehtojen kokonaisuus muovaa käsitystä. Mielekkäästi laadittu monivalintakysymys valottaa oleellisia aiheita laajemmin kuin vain yhden vaihtoehdon kautta. Tähän tietysti liittyy vastausten lisäksi myös kysymyksen valinta. Nyt Tommin (sinällään kiinnostava) tutkimus on nostettu satojen viime vuonna ilmestyneiden vastaavien artikkeleiden joukosta esille vain siksi, että se on saanut paljon julkisuutta. Tämä taas ei liity niinkään tutkimuksen sisältöön kuin sen lehdistötiedotteeseen.

Tiede ei ole kokoelma tietoa, vaan siihen kuuluu elimellisesti joukko päättelytapoja sen selvittämiseksi, mikä on totta ja mikä ei, sekä tarkka kirjanpito epävarmuudesta. Tällaisten kyselyiden arvo tieteen ymmärtämiselle (ainakin mitä tulee teoreettiseen fysiikkaan) ei ole nolla vaan negatiivinen: ne nostavat esille yksittäisiä ehdotuksia muiden joukosta antaen ymmärtää, että niissä on jotain erityistä – ja tekevät tämän tavalla, josta on mahdotonta ymmärtää, mistä on kyse.

Kuten olen aiemmin kirjoittanut, toimittajat ovat tavattoman herkkäuskoisia mitä tutkijoiden (tai oikeastaan näiden yliopistojen PR-osastojen) tiedotteisiin tulee. (Aiheesta ks. täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä.) Tämän takia tutkijoilla on vastuu olla huolellisia. Ei riitä, että tiedotteiden sisältö on totta, pitää myös ottaa huomioon, millaisen vaikutelman ne antavat, ja rapauttavatko ne yleistä tieteen ymmärrystä hetkellisen huomion hyväksi.

Kun päättyvän vuosikymmenen alulla OPERA-koeryhmä piti CERNissä lehdistötilaisuuden mahdollisesti valoa nopeammista neutriinoista, ei auttanut, että tiedotteeseen oli asianmukaisesti kirjattu, että mitään löytöä ei ole tehty. Jo siitä, että CERNissä järjestettiin lehdistötilaisuus toimittajat päättelivät, että jotain merkittävää oli tapahtunut. Tämä saattoi olla OPERAn johdon tarkoituskin, mutta silloin kun näin ei ole, on syytä olla varovainen. Jos ei halua, että joku vetää liipasimesta, ei kannata jakaa ammuksia.

Mitä toimittajien vastuuseen tulee: jos ei ole varma, mihin piippu osoittaa, ei kannata vetää liipasimesta vaikka joku jakaisikin ammuksia.

12 kommenttia “Tiedeuutisten knopit”

  1. Mika Viljakainen sanoo:

    Kirjoituksessa ilmaistu huoli jaetaan niin tiedeyhteisössä kuin tiedeyhteisön ulkopuolellakin, mutta teoreettiset fyysikot voivat syyttää osittain itseään siitä, että alunperin pilkkanimeksi tarkoitettu ”Big Bang” vakiintui kuvaamaan maailmankaikkeuden alkuhetkiä ja alkutilaa.

    Voi olla, että ”myyvä” nimi houkuttelee juuri epätarkkaan kielenkäyttöön eli ainakin termejä käsitteistön piirissä pitäisi kehittää väärien mielikuvien synnyttämisen vaikeuttamiseksi, niin vähän kuin yleisön käsityksillä on tekemistä varsinaisen tutkimuksen ja opetuksen kanssa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Taitaa olla myytti, että termi big bang olisi tarkoitettu pilkkaavaksi. Termin historiasta ks. https://academic.oup.com/astrogeo/article/54/2/2.28/302975

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Luin tuon artikkelin. Osoittautui että termiä on käytetty (siitä huolimatta mitä alunperin oli tarkoitettu) eri henkilöiden taholta todella asiallisessa että pilkkaavassa hengessä. Tietysti. Koska edes tiedeyhteisö (saati sitten raportteja lukeva yleisö) ei edes tänä päivänä pysty selkeästi ilmaisemaan terminologiaa. Tämä kävi selvästi ilmi myös aiemmin Tenkasen tutkimuksen otsikoinnissa ja lehdistötiedotteissa ja niistä kumpuavasta keskustelusta.

    Räsäsen linkki päättyy näin:
    When Sky and Telescope ran a competition in 1993 to find a more suitable name, the judges received no less than 13 099 responses. None of them were found worthy of supplanting Hoyle’s “inappropriately bellicose” name (Beatty and Fienberg 1994). It had stuck – like a harpoon.

    Siis NONE OF THEM. Tämä vuonna 1993, siis lähes 30 vuotta sitten. Tutkimus siitä eteenpäin on ollut kosmologiassa valtavaa. Myös tulokset. Ainut mikä kuitenkin näkyy vain vahvistavan otettaan on surkea tiedottaminen. En todella tiedä mikä ratkaisu olisi. Ei liene toivottavaa, että ylivoimaisesti suurin osa taviksista edelleen pitää ”alkuräjähdystä” nimenomaan hyvin hypoteettisen singulariteetin (yhden pisteen) ”räjähtämisenä”. Onko törkeä väite tämä: tiedeyhteisön oma syy?

  3. Ihan hyvä teksti. Tämä muutamia kuukausia jatkunut keskustelu on saanut minutkin ajattelemaan, että selkeintä olisi välttää koko alkuräjähdys-sanan käyttöä, jos sen määritelmästä ei päästä yksimielisyyteen. Ja vaikka Suomessa pääsisimmekin, englanninkielisen termin ”Big Bang” epämääräisyys ei siitä tietysti miksikään muutu.

    Vaihtoehdoissakin pitää kuitenkin ”valita valheensa” – kuten olet aiemmin fysiikan muuhun popularisointiin liittyen kirjoittanut -, sillä niin maailmankaikkeuden alku kuin aineen syntykin ovat paitsi epämääräisiä, myös varmana pidettävän tiedon tuolla puolen, ainakin mitä alkuun tulee. Termi ”inflaation jälkeinen aika” on sekin hieman ongelmallinen niin kauan kuin kaikki edes kosmologiayhteisössä eivät pidä inflaatiota varmennettuna (vaikka en oikein ymmärräkään miksi!). Enkä tiedä olisiko se hyvä termi yleiskieleen muutenkaan, ensinhän pitäisi saada kaikki ymmärtämään mistä kosmisessa inflaatiossa on kysymys.

    Ongelmallisinta tässä terminologian määrittelyssä lienee se, että päättämättömyys erikielisten määritelmien äärellä hämärtänee yleisön kuvaa siitä, mitä asioista oikeasti tiedämme. Sanottakoon siis tämän lukijoille selkeästi, että itse fysiikasta tässä ei ole ollut epäselvyyttä tai erimielisyyttä. Haasteita viestinnässä kuitenkin riittänee.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Niinpä.

  4. Lentotaidoton sanoo:

    Mika Viljakainen: ”Voi olla, että ”myyvä” nimi houkuttelee juuri epätarkkaan kielenkäyttöön eli ainakin termejä käsitteistön piirissä pitäisi kehittää väärien mielikuvien synnyttämisen vaikeuttamiseksi, niin vähän kuin yleisön käsityksillä on tekemistä varsinaisen tutkimuksen ja opetuksen kanssa.”

    Tutkijat tutkii ja journalistit valeh…tarkoitan tekevät työtään eli myyvät laidasta laitaan mikä myytäväksi kelpaa. Tulee mieleen esim. Higgsin bosoni. Ledermanin 1993 kirjasta piti tulla ”The Goddamn Particle” (koska sitä oli PIRUN vaikea metsästää), mutta tulikin The God Particle. Raaka business ja joidenkin laajojen piirien kosiskelu haistoi rahan. Sillä nimellä sitten ratsastettiin vuosikausia. Sitkeällä työllä ja selittämisellä on tuo nimi saatu lähes 100 prosenttisesti kuitenkin muuttettua myös yleisön tajunnassa Higgsin bosoniksi.

    Eli ilmeisesti samat lääkkeet: sitkeä työ ja selittäminen. Mutta tämä tietysti edellyttää että tiedeyhteisö itse pääsee asiasta yksimielisyyteen. Asian tekee supervaikeaksi termin (tai oikeastaan sloganin) Big Bang monikymmenvuotinen käyttö. Toki jokainen käsittää, että fysiikka itsessään on kosmologien tajunnassa kristallinkirkas.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Lederman kuitenkin suostui kirjansa harhaanjohtavaan nimeen, niin että siitä ei voi syyttää vain kustantajaa (tai kanssakirjoittajaa).

  5. Jari Toivanen sanoo:

    …ylivoimaisesti suurin osa taviksista edelleen pitää ”alkuräjähdystä” nimenomaan hyvin hypoteettisen singulariteetin (yhden pisteen) ”räjähtämisenä”…
    Mielestäni, jos taviksista ylivoimaisesti suurin osa kaikkien arkihuoliensa keskellä pohtii maailmankaikkeuden alkua singulariteetin räjähtämisenä, voimme olla tyytyväisiä tavisten kognitiiviseen kapasiteettiin, vaikka kontemplaatio vähän pieleen menisikin, ja olla iloisia heidän kosmologiaa kohtaan osoittamastaan mielenkiinnosta.

  6. Cargo sanoo:

    Eivät humanistit saata ymmärtää, miten pienetkin semanttiset ristiriidat voivat saada neuroottisten luonnontieteilijöiden aivot solmuun.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tässä ei ole kysymys semanttisesta ristiriidasta.

  7. Jyri T. sanoo:

    Luin tässä yhtä tutkimusta (Failure of standard thermodynamics in planck scale black hole system; Kourosh Nozari, S. Mehdipour), jossa sanottiin että jokin kvanttimekaaninen ilmiö saattaa mahdollisesti estää n. Planckin massan suuruisen mustan aukon höyrystymisen loppuun asti. Ilmiö olisi luonteeltaan sama kuin mikä estää atomin elektroneja ”putoamasta ytimeen asti” eli liittyisi jotenklin alimpaan mahdolliseen energiatilaan.

    Onko tällaisia Planckin massan kokoisia mustia aukkoja ehdotettu pimeän aineen lähteeksi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tämä on aika kaukana merkinnän aiheesta, mutta vastaus on kyllä, jo 1980-luvulla. Mustien aukkojen kohtalosta tosin ei varmasti tiedetä mitään.

      Itsekin hiljattain puuhailin aiheen parissa: https://arxiv.org/abs/1810.12608

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kosmologiakurssi

10.12.2019 klo 13.30, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Luennoin Ursalle lauantaina 25.4. kello 12-18 kurssin kosmologiasta, jolle on annettu typäkkä nimi Kosmologiakurssi Ia [korjaus: ihan vain Kosmologiakurssi]. Kurssille voi ilmoittautua täällä. Kurssimaksu on 15€ Ursan jäsenille, 40€ muille. Paikkoja on rajoitettu määrä, ja ne kuulemma menevät nopeasti, eli jos haluaa mukaan, kannattanee ilmoittautua pian. [Lisäys: Kurssi tulikin vuorokaudessa täyteen.]

Kurssin kuvaus on tämä:

Kurssi tarjoaa napakan katsauksen moderniin kosmologiaan, sen oleellisimpiin teorioihin sekä hieman myös kosmologian historiaan. Kurssilla käsitellään mm. maailmankaikkeuden historia, ison mittakaavan rakenteet, kosmisen mikroaaltotausta, pimeä aine, pimeä energia ja kosminen inflaatio. Kurssin pitää yliopistotutkija, dosentti Syksy Räsänen.

Päivitys 1 (10/12/19): Korjattu kurssin nimi.

Päivitys 2 (11/12/19): Lisätty maininta, että kurssi tuli täyteen.

12 kommenttia “Kosmologiakurssi”

  1. Anne Liljeström sanoo:

    Se on itse asiassa ihan vain ”Kosmologiakurssi”, ”la” viittaa lauantaihin. 🙂

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Luentani eipä ollutkaan typäkkä. Kiitos, korjasin.

  2. Sari sanoo:

    Toivottavasti kurssi järjestetään uudestaan esimerkiksi syksyllä (pun intended) tai seuraavana keväänä, kiinnostusta olisi epäilemättä!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kurssin tulevaisuus riippuu siitä, millaisia muita opetusvelvollisuuksia minulla on. Jos minulla on sen luennoimiseen aikaa muilta kursseilta, niin varmaan luennnoin kurssin vielä.

  3. Cargo sanoo:

    Miten keskustelevaan sävyyn tuota kurssia tullaan käymään? Saattaa nimittäin olla, että Suomen johtavat crackpot-fyysikot ilmaantuvat sankoin joukoin paikalle 🙂

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yleisön kysymykset ovat tärkeä osa niin ammatillisia kuin populaareja luentoja fysiikasta.

  4. Jyri T. sanoo:

    Olisiko se mahdollista striimata?

    Kysyy nimimerkki Epätietoinen Lapista

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tuota täytyy kysyä Ursalta.

  5. Jari Toivanen sanoo:

    Käytkö luennoimassa ”beyond the border of wolves”?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Olen luennoinut mm. seuraavissa paikoissa Suomessa (järjestys sattumanvarainen): Luopioinen, Utsjoki, Rovaniemi, Oulu, Turku, Tampere, Kajaani, Mikkeli, Kuopio, Mänttä, Joensuu, Lappeenranta, Pori, Porvoo, ja muuallakin, kaikkia en muista.

  6. Sari Salminen sanoo:

    Hei,
    Olisiko mahdollista järjestää/siirtää luento isompaan saliin, jotta me ulkopuolelle jääneet saisimme mahdollisuuden osallistua?
    Sari

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Minulla ei ole järjestelyihin osaa eikä arpaa, tällaiset kysymykset sopii suunnata Ursalle.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Tutkimushankkeen umpikuja

2.12.2019 klo 17.12, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Galleria Duetossa aukesi keskiviikkona Metta Savolaisen taidenäyttely Ympyrän neliöiminen. Kaksi vuotta sitten samassa tilassa oli näyttely Solar Eclipse, jossa Savolainen maalasi alkeishiukkasten muotokuvia, pelkisti tähtitieteen ilmiöitä ja asetti lintuja symmetrian maailmaan.

Uusi näyttely juontaa juurensa siihen, kun Savolainen löysi veljensä jäämistöstä Wilbur Richard Knorrin antiikin ajan matematiikkaa käsittelevän kirjan The Ancient Tradition of Geometric Problems ja rupesi käymään sen todistuksia läpi. Näyttelyn geometrinen osa on rajattu tiukasti sen nimen mukaiseen ongelmaan: miten rakennetaan harpilla ja viivaimella neliö, jolla on sama pinta-ala kuin annetulla ympyrällä, eli miten neliöidään ympyrä?

Ensimmäinen askel on Pythagoraan lause, joka yhdistää suorakulmaisten kolmioiden sivujen pituudet toisiinsa neliöiden avulla. Yhtälön z2=x2+y2 kuvallinen ilmentymä on sopusuhtainen asetelma, jossa mieli lepää.

Matematiikka, kuten fysiikka, rakentuu aiempien tulosten päälle, ja Pythagoraan lause on kauskantoisten löytöjen pohjana. Mutta haaroja versoaa moneen suuntaan, eivätkä kaikki kanna hedelmää. Näyttely onkin erityisen koskettava siksi, että se kuvallisen myötätuntoisesti esittelee epäonnistuneen tutkimusohjelman.

Pythagoraan jälkeen tulee Antifon, joka yritti täyttää ympyrän yhä pienemmillä kolmioilla. Rakennelmaa pitäisi kuitenkin jatkaa yhä pienempiin kolmioihin, aina nollakokoon ja äärettömään lukumäärään asti. Siihen eivät harppi ja viivain riitä. Tarvittava matematiikka ymmärrettiin vasta 2000 vuotta myöhemmin, mutta jo antiikin kreikkalaiset hahmottivat, että Antifonen yritys ei mene perille.

Kolmas tutkija, jonka työtä näyttelyssä popularisoidaan, on Hippokrates Khioslainen, joka löysi entistä hienostuneempia geometrisia yhteyksiä. Hän sai ilmaistua kolmioiden pinta-alan ympyrän ja kuunsirpin pinta-alan summana. Kun tietyt kulmikkaat muodot oli saatu osoitettua yhtä suuriksi kuin tietyt kaarevat muodot, olisi tarvittu vain menetelmän yleistys kaikkiin kuunsirppeihin ja tulos olisi valmis.

Hippokrateen reitti johti kuitenkin umpikujaan. Koska ympyrän pinta-alassa esiintyy luku 𝞹, ei ole mahdollista harpilla ja viivaimella piirtää neliötä, jolla olisi sama pinta-ala, kuten Ferdinand von Lindemann osoitti vuonna 1882.

Vastaava vuosituhansien ajan tutkijoita riivannut ongelma oli todistaa, että yhdensuuntaiset suorat eivät risteä. 1800-luvulla ymmärrettiin, että todistus on mahdoton, koska väite ei ole yleisesti totta. Kyseessä on vain Eukleideen määrittelemän geometrian erityispiirre, joka ei päde kaikille geometrioille (erityisesti se ei päde todellisessa maailmassa).

Gallerian seinällä roikkuvat kuvalliset ratkaisut matemaattisiin ongelmiin ovat kauneudessaan pahaenteisiä, muistuttaen kirkkaista poluista jotka eivät vieneet mihinkään ja herättäen epäilyksiä nykyisten matkojen päätepisteestä.

Edellistä Solar Eclipse -näyttelyä tiukempi rajaus on kiinnostava. Aiemmin taiteilija kehitti muualta muotoja muodottomille hiukkasille, nyt matematiikkaa määrää viivat, kaaret ja pinnat, vain lauseiden valinta ja sävyjen poiminta jää taiteilijan tulkintaan. Matemaattiset todistukset ovat tulleet paperille kuviksi ja seinälle konkreettisiksi esineiksi, joiden edessä on miellyttävä seisoa ja siirrellä mielessään värillisiä palikoita.

Savolaisen töiden terävät linjat ja selvät värit (joskus ne ovat turhan sameita) tuovat mieleen matemaatikko Oliver Byrnen vuonna 1847 julkaiseman version Eukleideen klassikkoteos Alkeiden ensimmäisestä kuudesta kirjasta. Byrnen tarkoitus oli tehdä geometrian perusteet helpommin lähestyttäviksi, ja samassa hengessä Savolaisen maalaukset ovat lähempänä taiteen ja tieteen risteystä kuin edellisen näyttelyn hiukkaskuvitukset. Teoksia voi katsoa kauniina kuvina, jotka oppikirjoista puuttuivat.

Matematiikan ja fysiikan tutkimuksessa käytetään sekä geometrista että algebrallista ajattelua, karkeasti sanottuna sekä kuvia että yhtälöitä, eri ongelmissa ja eri tutkijoilla eri suhteissa. Kouluopetuksessa saattaa kuitenkin korostua algebrallinen puoli, vaikka kuvallinen esitys voisi avata joillekin helpommin ovia. Savolaisen näyttelyn avajaisissa kuuluikin hermostuneena nauruna yleisön lapsuudesta kantama matematiikan pelko hänen kertoessaan, miten kuvien geometriaa luetaan.

Todistusten kuvallinen tarkastelu voisi myös nivoa yhteen matematiikan ja kuvataiteen opetuksen koulussa. Aalto-yliopistossa matemaatikko Kirsi Peltonen on järjestänyt kursseja, jotka tuovat yhteen niin sisällön kuin kurssilaisten osalta matematiikkaa, taidetta ja arkkitehtuuria. Aallossa on elokuussa 2020 Bridges-konferenssi näiltä tiimoilta.

Tarkan geometristen teosten ohella on näyttelyn toisessa huoneessa jatkoa Solar Eclipsen symmetrialinnuille. Tällä kertaa valon ja varjon linnut ikävöivät viestejä tai muistoja kantavien aaltojen ja valkoisen kohinan seassa, Fibonaccin lukujen, taivaan kyynelten ja kirsikankukkien keskellä. Abstraktien asioiden konkreettinen esittäminen ja inhimillisten tunteiden abstrakti ylentäminen nivoutuvat kuvallisiksi runoiksi, joiden sanaton ymmärrys ei tyhjenny algebran keinoin.

Näyttely on auki sunnuntaihin 22.12. asti.

4 kommenttia “Tutkimushankkeen umpikuja”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Kuvataiteen geometrisista säännöistä ehkä tunnetuin on kultainen leikkaus, joka saadaan, kun jana jaetaan kahteen osaan niin, että lyhyemmän osan suhde pidempään osaan on sama kuin pidemmän osan suhde koko janaan. https://fi.wikipedia.org/wiki/Kultainen_leikkaus

    Jos kvanttimekaniikkaa tai suhteellisuusteoriaa halutaan visualisoida kuvataiteen keinoin, niin luultavasti surrealismi olisi siihen sopivin suuntaus. Salvador Dalin Muiston pysyvyys kuvaa hyvin myös ajan suhteellisuutta.
    https://fi.wikipedia.org/wiki/Muiston_pysyvyys

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Kun me kaikki emme asu Helsingissä niin olisiko edes yksi pieni esimerkkikuva laittaa meillekin

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kuvia löytyy tekstissä olevien linkkien takaa (gallerian sivuilta eniten).

  3. Cargo sanoo:

    Jos näyttelyn nimi on Ympyrän neliöiminen, niin miksi esillä on toimivia geometrisia todistuksia? (retorinen kysymys.)

    Veikkaanpa vain, että jos tämä samainen taiteija sattuu googlettamaan fraktaaleista, niin seuraavassa näyttelyssä keskittyneen oloinen kutsuvieraskunta saa kuulla jotakin seuraavaa: ”Katsokaapas! Jos aloitan tämän värisestä alueesta, niin loputtomien iteraatioiden jälkeen päädyn aina samaan pisteeseen.” Tosin jos kyse on akvarelleista, niin mukaan voi sotkea kvanttifysiikan epämääräisyyttä ja päätyä yhdestä suttuisesta kohdasta moneen pisteesee yhtä aikaa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *