Kaivon äärellä

19.9.2018 klo 01.10, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vietän syyslukukauden Birzeitin yliopistossa, Länsirannalla, Miehitetyillä palestiinalaisalueilla kosmologiaa luennoiden. Vierailin Birzeitissä ensimmäisen kerran neljä vuotta sitten.

Birzeitin kampusaluetta.

Birzeit oli ensimmäinen palestiinalainen yliopisto ja se on vieläkin arvostetuin. Vuonna 1924 Birzeitin (nimi tarkoittaa oliiviöljykaivoa) kylään perustetusta koulusta se kasvoi vuonna 1975 yliopistoksi. Instituutio on kokenut kovia miehityksen alla. Miehityshallinto on useita kertoja pakolla sulkenut yliopiston – pisin sulku kesti 1980-luvulla 4 vuotta ja 3 kuukautta. Henkilökunta järjesti tällöin luentoja salaa, minkä Israel tuomitsi ”laittomina opetussoluina”, joista määrättiin 10 vuoden vankeusrangaistus.

Nykyään armeija ei puutu yhtä jyrkästi yliopiston toimintaan, mutta Länsirannalle rakennettu erottelumuuri, tarkastuspisteet, suljetut tiet ja muut fyysiset ja byrokraattiset kulun esteet rampauttavat yliopistoja kuten muutakin yhteiskuntaa. Lisäksi miehitysjoukot hyökkäävät kampukselle ja kaappaavat opiskelijoita, erityisesti ylioppilaskunnan hallituksen jäseniä. Tämä miehityksen tunkeutuminen yliopistolle oli yksi inspiraatio yliopistokampukselle sijoittuvalle palestiinalais-suomalaiselle larpille Piiritystila, joka siirsi Palestiinan tilanteen Suomeen. (Minulla oli ilo olla mukana konsulttina ja avustajana; minun ja muiden kokemuksia on kerätty dokumentaatiokirjaan.)

Israel on myös viime aikoina estänyt yhä useammalta ulkomaiselta luennoitsijalta pääsyn Länsirannalle ja alkanut evätä jatkoviisumeita niiltä, jotka jo Birzeitissä. Järjestö Scientists for Palestine yrittää osaltaan estää palestiinalaisten yliopistojen eristämistä järjestämällä konferensseja ja muita yhteyksiä Palestiinan ja muiden maiden opiskelijoiden ja tiedeyhteisön välille.

Näissä olosuhteissa Birzeitin yliopisto on kasvanut ja kehittynyt. Nykyään se on kooltaan noin kaksi viidennestä Helsingin yliopistosta: opiskelijoita on noin 14 000, joista yli puolet on naisia. Fysiikan opinnot aloittaa vuosittain noin 30-40 opiskelijaa. QS World University Rankingin mukaan (mitä tällaiset arviot sitten mittaavatkaan) Birzeitin yliopisto kuuluu maailman yliopistojen 3% kärkeen. Tarkemmin yliopiston vaiheista voi lukea sen pitkäaikaisen johtajan Gabi Baramkin omakohtaisesta kirjasta Peaceful Resistance: Building a Palestinian University Under Occupation.

Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta.

Vanhemman polven tutkijoista monet ovat väitelleet Neuvostoliitossa, nuoremmista Yhdysvalloissa ja Euroopassa, tutkien esimerkiksi mustia aukkoja säieteoriassa. Birzeitissa tutkimukselle ei kuitenkaan jää juuri aikaa, melkein kaikki päivät menevät opetukseen ja hallintoon. (Kuulemma fyysikoiden katsotaan soveltuvan hallintohommiin erityisen hyvin ja heillä on niitä paljon.) Henkilökunnan jäsenillä on mahdollisuus saada välillä lyhyitä vapaita kausia tutkimusta varten, ja Birzeitin fyysikot vierailevat ulkomaisissa yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa, mutta tämä ei korvaa sitä, että tutkimustyöhön ei voi keskittyä pitkäjänteisesti ja jatkuvasti.

Ongelmana on raha. Miehityksen alla ja sen osana toimiva ja ulkoisesta avusta riippuvainen Palestiinalaishallinto ei rahoita yliopistoja (eikä etenkään tutkimusta) riittävästi. Suurin osa käyttöbudjetista haalitaan lukukausimaksuista; lisäksi on lahjoituksia, joita annetaan erityisesti rakennuksia varten. Koska yliopistolla on talousvaikeuksia, järjestelmä johtaa siihen, että opiskelijoita otetaan sisään löyhin kriteerein budjetin kartuttamiseksi.

Se, että opiskelijoiden valintaperusteisiin vaikuttaa yliopiston rahantarve opiskelijoiden tason kustannuksella ei palvele sen enempää opiskelijoita kuin yhteiskuntaa, vaikka Suomeenkin lukukausimaksuja jotkut ajavat. Järjestelyssä on toki se hyvä puoli, että yliopisto on hallinnosta riippumaton, toisin kuin Suomessa, missä nimellisesti autonomisen Helsingin yliopiston johto seuraa uskollisesti opetusministeriön ohjeita.

Talousvaikeudet näkyvät myös kosmologiakurssin arjessa. Monet opiskelijat ovat töissä rahoittaakseen opintonsa, eivätkä pääse kampukselle joka päivä. Kurssin luennot ovat siksi kaikki samana päivänä, kolme tuntia peräjälkeen, vaikka keskittymisen ja hahmottamisen kannalta ne kannattaisi jakaa eri päiville. Kaikille sopivan laskuharjoitusajan löytäminen on samasta syystä vaikeaa. Onneksi kurssilaisten motivaatio on korkea, ja luennoilla on enemmän kysymyksiä ja vuorovaikutusta kuin Suomessa.

Maisteriopiskelijat saavat stipendejä, mutta kaikki eivät ota niitä vastaan, tai ottavat vain puoliksi ja jatkavat töitä hieman pienemmällä tuntimäärällä. Länsirannan nuorisotyöttömyys on 40%, joten työpaikoista halutaan pitää kiinni. Valmistuminen yliopistosta ei valitettavasti sekään takaa työllistymistä, ja monet päätyvät töihin, joilla ei ole mitään tekemistä opintojen kanssa.

Koulutuksella on kuitenkin kova kysyntä, koska sitä arvostetaan yhteiskunnassa. Palestiinalaisten koulutusaste on korkea, ja pitkään monet Persianlahden maiden lääkärit ja insinöörit olivat kotoisin Miehitetyiltä palestiinalaisalueilta. Vieläkin on se ongelma, että monet parhaista valmistuneista lähtevät ulkomaille, kun apartheid-järjestelmä estää talouden kehittymisen ja polkee poliittisia ja henkilökohtaisia vapauksia. Toisaalta yliopistojen kehittämä laajempi näkökulma, kriittinen tarkastelu ja ajattelun varmuus on omiaan auttamaan vapauden tavoittelussa, ja kuten Suomessa, myös Palestiinassa yliopistoilla on tärkeä rooli kansakunnan kehityksessä.

Kampusalueella sijaitseva Palestiinan museo.

4 kommenttia “Kaivon äärellä”

  1. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Kun olosuhteet ovat noin rankkoja, ja prioriteetit varmaankin ihan muualla, niin onko palestiinalaisten omissa yliopistoissa luonnontieteiden kohdalla mitään kansainvälistä tasoa olevia tutkimusryhmiä ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei ainakaan hiukkasfysiikassa ja kosmologiassa, muista aloista en tiedä. Jotkut tutkijat ovat mukana ulkomaisissa tutkimusryhmissä tekemässä korkealaatuista tutkimusta.

  2. Lentotaidoton sanoo:

    No kuinka tämän blogin käy? Onko kaivo liian syvä ja kuiva?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Blogi jatkuu, kuten näkyy. Seuraavaksi on vuorossa havaintoja kosmologian ja kvanttifysiikan risteyksestä konferenssista, jossa tällä viikolla olen Pariisissa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Pimeä sydän

30.8.2018 klo 12.58, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vaikka pimeä aine on paras selitys monille tähtitieteen ja kosmologian havainnoille, varmuuden saisi vain löytämällä pimeän aineen hiukkasen. Tähän on perinteisesti ajateltu olevan kolme tapaa: suora havainto, epäsuora havainto ja kiihdytinhavainto. Suora havainto tarkoittaa sitä, että hiukkanen havaitaan laboratoriossa, epäsuora sitä, että hiukkasen hajoamis- tai annihilaatiotuotteet nähdään taivaalla ja kiihdytinhavainto sitä, että hiukkanen tuotetaan hiukkaskiihdyttimissä.

Neljänneksi mahdollisuudeksi on viime vuosina noussut astrofysikaalinen havainto (astrofysiikka on hienompi tapa sanoa tähtitiede), eli sen havaitseminen, miten pimeä aine vaikuttaa tähtitieteen ilmiöihin. Eräs kiinnostava spekulatiivinen idea tältä saralta on pimeät tähdet. Heti alkuun on syytä kiiruhtaa sanomaan, että tämä nimi (jolla on historiaa elokuvan saralla) on harhaanjohtava. Mustat aukot todella ovat mustia, mutta pimeät tähdet ovat kirkkaita: itse asiassa niille on leimallistase, että ne ovat paljon kirkkaampia kuin tavalliset tähdet. Nimi tarkoittaa vain sitä, että tähden tärkein energianlähde on pimeän aineen annihilaatio.

Useissa pimeän aineen malleissa (kuten nynnyjen tapauksessa) pimeä aine koostuu sekä hiukkasista että antihiukkasista. Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat kevyemmiksi hiukkasiksi, tyypillisesti enimmäkseen fotoneiksi ja neutriinoiksi. Koska maailmankaikkeus laajenee, aineen tiheys laskee ajan kuluessa – eli aine on ennen ollut tiheämpään pakattua. Niinpä varhaisessa maailmankaikkeudessa pimeä aine ja antiaine annihiloituivat esteettä keskenään, mutta tiheyden laskiessa hiukkaset eivät enää löydä toisiaan ja ainetta ja antiainetta jää jäljelle.

Mutta samalla kun maailmankaikkeuden keskitiheys laskee, syntyy tihentymiä kuten galakseja gravitaation kasatessa ainetta. Kun maailmankaikkeus on noin 200 miljoonaa vuoden ikäinen, joissakin harvoissa paikoissa aineen tiheys kasvaa niin isoksi, että ydinreaktiot käynnistyvät: toisin sanoen, tähdet syttyvät. Tavallisten tähtien energianlähde on keskustan fuusioreaktiot. Kun ydinpolttoaine loppuu, tähti romahtaa, räjähtää ja syytää reaktioissa syntyneet alkuaineet pölyksi, josta uudet tähdet ja planeetat rakentuvat.

Koska pimeä aine ei pysty jäähtymään, se ei rusahda kasaan yhtä tehokkaasti kuin tavallinen aine. Tämän takia pienistä klimpeistä, kuten tähdistä ja planeetoista, suurin osa on näkyvää ainetta. Mutta vaikka tähden massasta alle tuhannesosa olisi pimeää ainetta, se voi olla vastuussa suurimmasta osasta tähden energiantuotannosta, koska annihilaatio on erittäin tehokasta. Hiukkasen ja antihiukkasen hävittäessä toisensa kaikki niiden massaa vastaava energia muuttuu hiukkasiksi ja tähden sisällä lämmöksi. Ydinreaktioissa vapautuu vain noin prosentti ydinten energiasta.

Nykyisissä tähdissä pimeällä aineella ei ole havaittavaa roolia, mutta varhaisina aikoina pimeän aineen tiheys oli isompi, joten annihilaatiota oli enemmän. Pimeät tähdet ovat voineet olla tähtien kehityksen ensimmäinen vaihe.

Pimeät tähdet ovat isoja, niiden säde on yli tuhat kertaa Aurinkoa isompi, mutta annihilaatio on tiukasti rajoittunut keskustaan, ja tähtien pinta on melko kylmä, 10 000 astetta. Tavallisten tähtien kasvua rajoittaa se, että niiden kuumasta pinnasta nouseva aurinkotuuli piiskaa ainetta poispäin. Pimeillä tähdillä ei ole tätä ongelmaa, joten ne voivat ahmia kaasua ja pimeää ainetta ja lihoa yhdestä Auringon massasta kymmenen miljoonaa kertaa Aurinkoa raskaammiksi jäteiksi.

Lopulta, miljoonien tai miljardien vuosien jälkeen, tähden pimeä aine loppuu ja tähti romahtaa. Siitä voi syntyä musta aukko. Pimeitä tähtiä onkin ehdotettu ratkaisuksi siihen, että varhaisessa maailmankaikkeudessa näkyy miljardien Auringon massaisia mustia aukkoja. On vaikeaa ymmärtää, miten tavallisista tähdistä ehtii muutamassa sadassa miljoonassa nopeasti niin valtavia mustia aukkoja, mutta pimeiltä tähdiltä se voisi onnistua.

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.

Muillakin kappaleilla saattaa olla pimeän aineen sydän. Maa kaappaa gravitaatiollaan pimeän aineen hiukkasia Aurinkokunnan kiertäessa ympäri Linnunrataa, ja jos hiukkaset vähän törmäilevät toisiinsa ja Maan atomeihin (kuten nynnyt ja vastaavat hiukkaset tekevät), ne menettävät hiljalleen energiaa ja päätyvät lopulta gravitaatiokuopan pohjalle, Maan ytimeen. Maan gravitaatio on kuitenkin niin heikko, että annihilaatio ei ole kovin voimakasta, ja sen havaitseminen on vaikeaa, etenkin kun vain neutriinot pääsevät maan alta pakoon. Näitä jalkojemme alla tapahtuvan annihilaation tuotteita on etsitty, mutta mitään ei ole löytynyt.

Eräs ajankohtainen idea on pimeän aineen löytäminen gravitaatioaaltojen avulla. Suoraviivaisinta olisi havaita pimeiden tähtien yhtymisestä syntyviä gravitaatioaaltoja. Siitä syntyy erilaisia gravitaatioaaltoja kuin tähtien tai mustien aukkojen törmäyksistä, koska pimeät tähdet ovat isokokoisempia. On myös ehdotettu, että neutronitähdillä on pimeän aineen ydin, joka vaikuttaa siihen, millaisia gravitaatioaaltoja niiden törmäyksissä syntyy. Toistaiseksi on havaittu vain yksi törmäys, jossa ainakin toinen osapuoli on neutronitähti, mutta ensi vuoden alkupuolella toimintaan palaavan LIGO-havaintolaitteen ja sen seuralaisten odotetaan näkevän niitä tulevien vuosien kuluessa roppakaupalla. Suuri havaintomäärä auttaa pienten poikkeamien vaskaamisessa.

Ei tiedetä, koostuuko pimeä aine sekä hiukkasista että antihiukkasista, eikä sitä, ovatko niiden massat ja vuorovaikutukset sopivia pimeiden tähtien muodostamiseksi: voi olla, että niitä ei ole olemassa. Mutta idean tutkiminen osoittaa, miten fysiikan eri haaroilla –hiukkasfysiikalla, tähtien rakenteen tutkimisella ja yleisen suhteellisuusteorian gravitaatioaalloilla– voi olla yllättäviä yhtymäkohtia, ja että ongelmia kannattaa lähestyä monesta suunnasta.

20 kommenttia “Pimeä sydän”

  1. Eusa sanoo:

    Kylläpä sitä jaksetaan spekuloida villeillä hypoteeseilla… 🙂

  2. Juhani Harjunharja sanoo:

    Mielenkiintoista pohdintaa – ja samalla tavallaa runollisen mystistä: https://www.kirjavinkit.fi/arvostelut/pimea-sydan/

    Siis joka tapauksessa mielenkiintoista kuin Pimeä sydänkin.

  3. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Tästä tulee mieleen Joseph Conradin romaani Pimeyden Sydän, johon myös Ilmestyskirja Nyt-elokuva löyhästi perustuu. Tuon fiktiivisen kertomuksen ja standardimallin pimeän aineen totuusarvo ovat samaa luokkaa.

  4. Leo Sell sanoo:

    Harrastelija

    Miten pimeän aineen tähdet ovat kirkkaita, eli mitä hiukkasia ne (oletetusti) säteilevät?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tekstissä lukee seuraavaa:

      ”Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat kevyemmiksi hiukkasiksi, tyypillisesti enimmäkseen fotoneiksi ja neutriinoiksi.”

      Annihilaatiotuotteiden kirjo riippuu siitä, millaisesta pimeän aineen hiukkasesta tarkalleen on kysymys, mutta myös elektronit ja positronit ovat tavallisia annihilaatiotuotteita.

      Sanalla ”kirkkaus” tekstissä viittaan fotoneihin eli valoon.

  5. Miten tähden ulko-osien fysiikka mukaanlukien aurinkotuuli voisi riippua siitä tuottaako tähden ydin energiaa fuusiolla vai jollain muulla tavalla?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kun tähden pääasiallisena energianlähteenä on annihilaatio, sen lämpötila on pienempi kuin silloin kun päälähteenä on keskustan fuusioreaktiot (jotka vaativat korkean lämpötilan).

      Tarkemmin täällä: https://arxiv.org/abs/1501.02394

      1. Jännittävän kuuloinen ajatus heillä, ja erityisen mielenkiintoista jos voidaan verifioida lähitulevaisuudessa JWST:llä. Ehkä heidän mallinnuksensa on oikein, mutta olisin kyllä luullut päinvastoin että jos tähdelle lisätään jokin uusi energiantuottomekanismi, silloin tähdne kasvu hidastuisi eikä nopeutuisi – vaikkakaan DM ja fuusio eivät olisi käynnissä samanaikaisesti.

      2. Selitän epäilyäni vähän lisää. Karkeasti, ilman fuusiota musta aukko syntyisi tähdestä nopeasti. Fuusion kanssa se syntyy hitaammin. Kun mukaan pannaan DM-energiantuotanto, olettaisi että se syntyisi vieläkin hitaammin. Mutta heidän mukaansa käykin päinvastoin. Se on niin yllättävää että jäin pohtimaan olisiko heidän analyysissään jotain vialla.

        Ursan palvelin ei muuten nykyään näytä hyväksymistä odottavia kommentteja niinkuin se teki ennen, ainakaan minulle. Kun kommentin on lähettänyt, se katoaa näkyvistä kunnes ilmeisesti bloginpitäjä sen hyväksyy. Muutama viikko sitten tuo kiusa ilmaantui.

        1. Erkki Kolehmainen sanoo:

          Huomasin saman.

        2. Palle Juna sanoo:

          Voit ehkä ajatella niin että nynnyjen annihilaatiosta syntyvä säteily skalaautuu lempeämmin baryonisen massan funktiona. Tämä siis koska baryonit eivät sitä synnytä, vaan pimeä aine.

          Normaali tähti alkaa nopeasti säteillä todella kiihkeästi jos sinne kaataa lisää baryoneja, ja tämä säteily puskee tähden ulommat kerrokset kevyesti pois. Tavallisilla tähdillä onkin kohtalaisen matala yläraja massalle, wikipedian mukaan about 100 auringon massaa. Toisaalta tällaiset pimeät tähdet saattavat pysyä tasapainossa vaikka baryoninen massa olisi luokkaa miljoona auringon massaa.

          Näiden tähtien lopusta sanotaan seuraavaa: ”On the other end of the spectrum, the most massive supermassive dark stars may collapse directly to supermassive black holes with masses of >10^5 M⊙ without any fusion phase at all”

  6. Leo Sell sanoo:

    Harrastelija:

    ”Koska pimeä aine ei pysty jäähtymään”. Tarkoitatko että tavallisen aineen lämpötilan syntyessä hiukkastörmäyksistä -ei näitä törmäilyjä synny pimeän aineen kesken, jolloin ”lämpötilan” arvionti riippuu vain niiden kinetiikasta,muuttumattomista nopeuksista,joita verrataan valon nopeuteen?
    DM-anhilaatiotkin ovat törmäyksiä,joista lopulta tulee fotoneja – mutta ilmeisesti ilman lämpöhukkaa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tavallinen aine jäähtyy siten, että muodostuu molekyylejä, joinen sisäinen tila voi muuttua niin, että ne säteilevät energiaa pois.

      Pimeä aine ei tiettävästi muodosta sidottuja tiloja (ainakaan tehokkaasti), joten se ei pysty säteilemään energiaa pois.

      1. Leo Sell sanoo:

        Harrastelija:kiitos vastauksestasi.Ihmettelen kuitenkin edelleen,miten pimeän aineen hiukkaset(wimpit=nynnyt) voivat muodostaa isoja rakenteita kuten tähtiä tai niiden osia,mikäli eivät voi tiivistyä pimeistä hiukkaspilvistä – aluksi ”viilenemällä” olkoonkin etteivät muodostaisi molaarisia sidostiloja?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Pimeiden tähtien massasta vain alle tuhannesosa on pimeää ainetta, valtaosa on tavallista ainetta. Tähdet muodostuvat pimeän aineen pilvien keskelle, joten niiden sisällä on aina vähän pimeää ainetta.

          Pimeää ainetta tulee lisää tähtiin kahdella tapaa.

          Ensinnäkin ne vetävät sitä puoleensa (kuten muutakin ainetta) gravitaation takia.

          Toisekseen tähden läpi kulkevat pimeän aineen hiukkaset törmäilevät tavallisen aineen hiukkasten kanssa menettäen energiaa, jäävät siksi tähden vangiksi ja päätyvät lopulta keskustaan.

  7. Leo Sell sanoo:

    Harrastelija:Hieman lisäaineistoa luettuani, ymmärsin asian näin. Adiabaattinen kompressio supistaa kaasupilveä,joka on molaarisen vedyn (H2) viilentämä. DM-annihilaatioiden samalla voimistuessa,ne tuottavat lämpöenergiaa,mikäli näitä pimeitä hiukkasia on riittävän tiheässä ne viimein ionisoivat vedyn ympäriltään ja DS-eli Pimeä,mutta kirkas,tähti on syntynyt!

  8. Leo Sell sanoo:

    Harrastelija:

    Edellinen – tarkoitin:adiabaattinen kontraktio.

  9. Lentotaidoton sanoo:

    Eli suomeksi: sidottu tilahan tarkoittaa systeemin alinta energiatilaa (Enqvistin tunnettu sutkautus: sika painaa vähemmän kuin paloiteltu sika). Kun pimeä aine ei voi näitä muodostaa (kun eivät tunne sähkömagn vuorovaikusta) niin (ylimääräisen) energian säteileminen ei onnistu).

  10. Jussi Hakama sanoo:

    Hyvä Syksy

    Esittelemässäsi aiheessa oli paljon sellaista loogisuutta, mikä monesta muusta [yhtenäisteoria]teoretisoinnista taas tuntuu puuttuvan.

    Analogiaa geologiaan: kun tarkastelee teorioja, joita aikansa huippututkijat esittivät selittämään esim. jääkausista ja mannerliikunnoista seuranneita ilmiöitä, näkee, miten vaikea lause huippuälykkäällekin tutkijalle on ”En tiedä.” Kuitenkin se oli esim. Joseph Lagrangelle siinä määrin ominainen, että se taitaa olla kaiverrettuna hänen hautakivessäänkin.

    Käsi sydämelle: mikä ala-alue hallitsemallasi alueella tuntuu tässä suhteessa eniten ”haisevan”?

    Kunnioittavasti Jussi Hakama

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aihe ei suoranaisesti liity mitenkään yhtenäisteorioihin.

      En ymmärrä kysymystä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Luodin jäljet

20.8.2018 klo 23.18, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Edellisen merkinnän kommenteissa (ja aiemminkin) on kyselty, ennustaako pimeä aine mitään, vai selittääkö se vain jo tehtyjä havaintoja. Kaikissa pimeään aineeseen viittaavissa havainnoissa on kyse siitä, että kappaleet tai valo liikkuvat eri tavalla kuin mitä pelkästään näkyvän aineen perusteella odottaisi. Kun mukaan ottaa näkymätöntä ainetta yhteensä noin neljä-viisi kertaa niin paljon kuin näkyvää, niin havainnot ja teoria loksahtavat kohdalleen.

Mutta kun pimeän aineen hiukkasta ei kovista yrityksistä huolimatta ole löytynyt, nakertaa kysymys siitä, eikö voisikin olla kyse siitä, että emme kunnolla ymmärrä gravitaatiota? Havainnot selittävän uuden gravitaatiolain kehittäminen on kuitenkin osoittautunut vaikeaksi. Tämä johtuu siitä, että kappaleiden ja valon liikkeet poikkeavat odotuksista eri tavalla eri tilanteissa.

On esimerkiksi selvää, että gravitaatio ei voi olla yksinkertaisesti luultua voimakkaampaa, koska näkyvä aine selittää planeettojen ja muiden kappaleiden sekä valon liikkeet Aurinkokunnassa erinomaisesti. Samoin Linnunradan keskustan tienoilla näkyvä aine riittää selittämään tähtien ja kaasun liikkeet. Pimeän aineen pitää siis olla jakautunut eri tavoin kuin tavallisen aineen. Näkyvä aine rutistuu kasaan, koska se voi jäähtyä säteilemällä energiaa pois. Pimeä aine ei pysty samaan (ainakaan yhtä tehokkaasti), ja siksi sen klimpit jäävät isommiksi ja harvemmiksi – ei ole pimeitä aurinkokuntia eikä pimeitä planeettoja. Tietokonesimulaatiot galaksien muodostumisesta varmistavat pimeän aineen erilaisen käytöksen ja selittävät sen jakautumisen galakseissa.

Erään näyttävimmistä esimerkkeistä pimeän aineen oikeaan osuneista ennustuksista tarjoaa 2000-luvun alkupuolella havaittu galaksirypäs 1E 0657-558, tuttavallisemmin luotirypäs. Kyseinen vajaan neljän miljardin valovuoden päässä oleva kokoelma galakseja ja kaasua iskeytyi isomman galaksiryppään läpi hieman yli kolme miljardia vuotta sitten. Senkin tapauksessa on kyse siitä, että näkyvä aine vuorovaikuttaa itsensä kanssa voimakkaammin kuin pimeä aine.

Galaksiryppäissä on paljon enemmän galaksienvälistä kaasua kuin galakseja: galaksit uivat kymmeniä miljoonia asteita kuumassa kaasussa. Galakseja on sen verta harvassa, että kun ryppäät törmäävät, niiden galaksit menevät toistensa ohi ja jatkavat matkaansa suoraan eteenpäin. Ryppäiden kaasukehät sen sijaan iskeytyvät kovasti, hidastuvat ja kuumenevat entisestään.

Galaksit hohtavat näkyvää valoa ja infrapunavaloa, mutta kaasu on niin kuumaa, että se hehkuu röntgensäteitä. Niinpä galaksit ja kaasu on helppo erottaa toisistaan. Alla olevassa kuvassa galaksit ovat valokiekkoja (mukana on myös meidän ja ryppään välissä olevia tähtiä ja muuta roskaa) ja kaasu on väritetty punaisella.


(Kuvan lähde: NASA.)

Luotirypäs ja sen kumppani näyttävät siltä kuin odottaisi: kaasu on jäljessä galakseja, ja sen törmäysrintaman muoto näkyy vielä.

On myös mitattu, miten paljon ryppään kukin osa taittaa takana olevien kohteiden valoa, eli paljonko massaa niissä on. (Lisää gravitaatiolinsseistä täällä.) Massa on väritetty kuvaan sinisellä.

Pimeän aineen mallien mukaan ryppäissä on paljon enemmän pimeää ainetta kuin tavallista ainetta, ja sen hiukkaset menevät toistensa ohi. Niinpä pimeä aine, on liikkunut esteettä samaan paikkaan kuin galaksit, joten valtaosa massasta on samassa paikassa galaksien kanssa, kuten kuvassa näkyy.

Jos pimeää ainetta ei olekaan olemassa, pitää selittää, miksi ryppäissä valo taipuu eniten galaksien kohdalla, vaikka suurin osa tavallisen aineen massasta on kaasussa. Periaatteessa uudessa gravitaatioteoriassa valon taipumisen ei tarvitse olla voimakkainta siellä missä on eniten massaa. On kuitenkin vaikea ymmärtää, miksi taipuminen menisi massan edellä. Toistaiseksi kukaan ei ole onnistunut muotoilemaan gravitaatiomallia, joka olisi sopusoinnussa sekä luotiryppään että muiden havaintojen kanssa.

On tietysti mahdollista, että huomenna joku esittää tällaisen gravitaatiomallin. Mutta tämä ei muuttaisi sitä, että luotiryppään muoto on pimeän aineen ennustus. Varta varten rustatun gravitaatiomallin kohdalla se olisi vain selitys. Sama pätee kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksiin ja useisiin muihin havaintoihin. Pimeän aineen kilpailijat juoksevat nappiin osuneiden ennustusten perässä, huonolla menestyksellä.

Luotiryppään piirteiden ja muiden gravitaatioon perustuvien havaintojen kannalta ei ole väliä, millainen pimeän aineen hiukkanen tismalleen on. Kunhan se vuorovaikuttaa heikosti, liikkuu hitaasti ja vetää ainetta puoleensa, se sopii yhteen havaintojen kanssa. Mutta havainnot antavat yhä parempia rajoja sille, miten heikosti tismalleen pimeä aine voi vuorovaikuttaa. Esimerkiksi luotiryppään avulla voi rajoittaa sitä, miten voimakkaasti pimeän aineen hiukkaset voivat vuorovaikuttaa itsensä kanssa, jotta eivät olisi jääneet galakseista jälkeen. Pimeän aineen hiukkasen ominaisuuksia tiirataankin nykyään kiihdytinten ja laboratoriohavaintojen lisäksi yhä enemmän taivaalta, ja saa nähdä missä niistä saadaan ensiksi kiinni.

Päivitys (21/08/18): Korjattu yksi virhe (tavallinen aine -> pimeä aine).

17 kommenttia “Luodin jäljet”

  1. Eusa sanoo:

    Mitä sanot siihen, että Sabine Hossenfelder esittää Bullet Clusterin osoittavan pimeän aineen mallin heikkoutta verrattuna toisiin selityksiin?

    http://backreaction.blogspot.com/2017/01/the-bullet-cluster-as-evidence-against.html?m=1

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Luotirypäs on harvinainen tapaus. mutta ei niin harvinainen, että se olisi ongelma. Niitä odottaisi näkyvän taivaalla noin yksi.

      (Jälkikäteen määriteltyjen todennäköisyyksien kanssa on syytä olla huolellinen: jos valitsee taivaalta yhden pilven ja kysyy, mikä on todennäköisyys, että juuri sellainen pilvi muodostuu on näköpiirissä juuri sillä hetkellä, se on aina mitättömän pieni. Pitää tarkastella ennemmin joukkoa tietynlaisia mahdollisia pilviä.)

      https://arxiv.org/abs/1412.7719

      Millään muotoa luotirypäs ei ole osoitus pimeän aineen selityksen heikkoudesta verrattuna muihin selityksiin, koska tietääkseni mikään muu malli ei selitä sen yksityiskohtia ja sovi yhteen muiden havaintojen kanssa.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        Räsäsen mukaan tapaus on harvinainen, mutta näin tuleekin olla. Tämän Räsäsen antaman linkin mukaan Bullet Cluster on vain marginaalisesti sovitettavissa ΛCDM-kosmologiaan . Itseasiassa niin että jos (juuri) tällaisia systeemejä löytyisi lisää, niin se haastaisi standardin kosmologisen mallin.

        “We find that only about 0.1 systems like the Bullet Cluster 1E 0657-56 (where the collision has occurred already) can be expected up to z = 0.3. Increasing the relative velocity to 4500 km/s — the shock front velocity deduced from X-ray observations of 1E 0657-56 — no candidate systems are found in the simulation. Thus the existence of 1E 0657-56 is only marginally compatible with the ΛCDM cosmology, provided the relative velocity of the two colliding clusters is indeed as low as suggested by hydrodynamical simulations. Hence if more such systems are found this would challenge the standard cosmological model.”

        1. Eusa sanoo:

          Pyrkivätköhän ne, joilla on parhaimmat laitteistot, aktiivisesti löytämään lisää vastaavia kohteita? Liekö kandidaatteja näkynyt?…

          1. Eusa sanoo:

            https://www.youtube.com/watch?v=rn_CBHvq29k
            https://www.youtube.com/watch?v=xBDiS2WK38w
            https://www.youtube.com/watch?v=mRtGUCLjQ3w

            Eikös näitä joitain samankaltaisia olekin jo havaittu? Ainakin kaasun ja kappalemaisten kohteiden entrooppinen olemus on erilaista; kaasulla energiatiheyserot ovat tasaisempia kuin kappaledynamiikassa – löytyisikö siitä vihjettä ilman suurta määrää pimeitä hiukkasia?

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Se, että galaksiryppäissä kaasu jakautuu tasaisemmin kuin galaksit on hyvin tunnettua, eikä asialla sinällään ole mitään tekemistä pimeän aineen kanssa.

          3. Syksy Räsänen sanoo:

            En tiedä, etsitäänkö nimenomaisesti samanlaisia kohteita. Muita ryppäiden törmäyksiä on kyllä näkynyt, mutta ei mitään aivan samanlaista.

  2. Harri Pohja sanoo:

    Kiitos taas mielenkiintoisesta kirjoituksesta!

    ”…näkyvä aine vuorovaikuttaa itsensä kanssa voimakkaammin kuin tavallinen aine.” — tässä ”tavallinen” aine tarkoittanee pimeää ainetta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä, kiitos, korjasin.

  3. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Muistelisin niin että pimeän aineen hiukkasten kandidaattien joukossa on ollut sellaisia jotka nykyinen hiukkasfysiikka (= standardimalli ?) tuntee, mutta enemmän kai puhutaan (spekuloidaan) aivan uusista tuntemattomista hiukkasista.
    Pidetäänkö selvänä että jos/kun pimeän aineen hiukkanen löytyy niin se tulee merkitsemään hiukkasfysiikan radikaalia uusiutumista ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Standardimallin neutriinot olivat 1980-luvulla pimeän aineen ehdokas, mutta nykyään tiedetään, että ne eivät kelpaa. (Ne liikkuvat liian nopeasti ja niissä on liian vähän massaa.)

      On myös pohdittu, voisiko pimeän aineen hiukkanen koostua kuudesta kvarkista, mutta tätä ei pidetä luultavana.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kuusikon-uudet-seikkailut/

  4. Mika sanoo:

    Mikäli pimeän aineen hiukkasia ei yhä parantuvista koeasetelmista huolimatta tarttuisi haaviin, niin missä vaiheessa – jos koskaan – tulisi mielestäsi raja vastaan, jolloin pitäisi todeta että tarvitaan sittenkin joku toinen selitysmalli havainnoille?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      On malleja, joissa pimeän aineen vuorovaikutukset ovat niin heikkoja (ja/tai sen hiukkasten lukumäärätiheys on niin pieni), että niitä ei havaita millään kokeella, jonka toteuttaminen vaikuttaa tällä hetkellä mahdolliselta. Rajaa ei siis ole näkyvissä.

      Eri asia on sitten se, jos tehdään havaintoja, joita pimeä aine ei selitä.

  5. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    APS News heinäkuun numerossa on katsaus pimeän aineen etsintään, lähinnä amerikkalaisesta näkökulmasta. Artikkelissa annetaan aika paljon tilaa teorialle axioneista pimeän aineen hiukkasina. Nämä olisivat erityisen pienimassaisia hiukkasia, mutta näemmä silti voisivat täyttää vaadittavan kokonaismassan. Niiden detektoimiseen on meneillään oma kokeensa (ADMX). Blogi-isännällä on postaus aksioneista 21.12.2016.

  6. Jernau Gurgeh sanoo:

    Minkälainen näkemys sinulla on Neil Turokin ja kumppaneiden paperiin, jossa ainoaksi pimeän aineen kandidaatiksi jää oikeakätiset (steriilit) neutriinot?

    Paperi pureutuu samalla moniin muihinkin ongelmiin mielenkiintoisen universumi/anti-universumi mallin kautta. Ja väittävätpä siitä nousevan testattavia ennusteitakin.

    https://arxiv.org/pdf/1803.08930.pdf

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En ole lukenut paperia, mutta mikään ei kaiketi estäisi lisäämästä malliin uutta pimeän aineen kandidaattia oikeakätisten neutriinojen lisäksi.

      Oikeakätiset neutriinot ovat vanha hyvä pimeän aineen kandidaatti, ja yksi kiinnostavimpia. Itse tosin pidän enemmän niiden kevyemmästä versiota, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Suunnistuksen lähtökynnys

30.6.2018 klo 11.35, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pimeän aineen hiukkasta ei ole laajoista etsinnöistä huolimatta löytynyt. Koska pimeää ainetta (jos sitä on olemassa) kulkee koko ajan Maapallon läpi, suorin tapa sen havaitsemiseen on katsoa, törmääkö sen tavalliseen aineeseen. Tarvitsee vain ottaa koekappaleeksi kide, eristää se ja odottaa potkuja.

Mitä heikommin pimeän aineen hiukkanen vuorovaikuttaa, sitä harvemmin törmäyksiä tapahtuu. Koska pimeän aineen hiukkasten massatiheys (massa kertaa lukumäärä jaettuna tilavuudella) tiedetään niiden gravitaation havaitsemisesta, hiukkasia on sitä vähemmän mitä raskaampia ne ovat, mikä myös laskee törmäysten tahtia. Tätä ongelmaa voi ratkaista yksinkertaisesti rakentamalla isomman havaintolaitteen: mitä suurempi kohde, sitä enemmän törmäyksiä. Jahdissa onkin siirrytty kiloluokan detektoreista satojen kilojen kautta yli tonnin kohteisiin.

Toisaalta mitä kevyempi hiukkanen on, sitä pienemmän potkun se antaa atomeille. Herkemmän detektorin rakentaminen vaatii enemmän kekseliäisyyttä kuin kohteen kasvattaminen. Toissaviikolla Helsingin yliopiston materiaalifyysikko Kai Nordlund kertoi uudesta menetelmästä, jossa otetaan avuksi kohteen molekyylien tuntemus. Työssä on mukana Helsingin yliopistolta myös pimeän aineen hiukkasfysiikan tuntijat Kimmo Tuominen ja Matti Heikinheimo sekä pimeän aineen tähtitieteelliseen puoleen erikoistunut Peter Johansson, ja joukko materiaalifyysikkoja Teksasin A&M-yliopistolta.

Idea on seuraava. Kun pimeän aineen hiukkanen kulkee koekappaleen läpi, se voi tönäistä kiteen atomeita. Kvanttimekaniikan mukaan on pienin energia, millä atomeille tapahtuu jotain: jos pimeän aineen hiukkasen potku on tätä pienempi, se ei voi tehdä kohteelle yhtään mitään. Tämä lähtökynnys riippuu kiteen rakenteesta. Nordlundin ja kumppaneiden oivallus on käyttää hyväksi sitä, että kynnysenergia riippuu myös hiukkasen tulosuunnasta: on helpompi häiritä kidettä, kun potkii suuntaan, missä atomit tukevat toisiaan vähemmän.

Pimeän aineen hiukkaset liikkuvat sinne tänne siten, että ne ovat keskimäärin levossa Linnunradan suhteen. Koska Aurinkokunta kiertää Linnunrataa, Maapallolla istuvaa havaitsijaa vastaan tulee enemmän hiukkasia siitä suunnasta, mihin Maa kulkee ja vähemmän vastakkaisesta suunnasta. Samalla tapaa törmää useampaan sadepisaraan jos juoksee kohti kulmassa tulevaa sadetta ja harvempaan jos juoksee poispäin.

Kun Maa kiertää Aurinkoa vuoden aikana, kiteen suunta suhteessa tähän pimeän aineen tuuleen muuttuu. Kiistelty DAMA-koeryhmä käyttää tätä pimeän aineen signaalin etsimiseen kohinasta. Nordlundin ja kumpp. hyödyntävät lisäksi sitä, että suunta muuttuu vuorokauden aikana Maapallon pyöriessä akselinsa ympäri. Kun kide kääntyy suhteessa pimeän aineen tuuleen, kynnysenergia muuttuu, joten detektorissa havaittavien potkujen määrä nousee ja laskee yön ja päivän vaihtuessa.

Menetelmä toimii vain silloin, kun pimeän aineen hiukkasten potkujen energia on lähellä kynnysenergiaa. Jos potkut ovat paljon isompia, kide saa kyytiä oli se missä suunnassa tahansa. Jos ne ovat pienempiä, pimeä aine ei pysty häiritsemään kidettä edes heikoimpaan suuntaan töniessään.

Mutta kiteiden energiakynnys on sattumoisin saman kokoinen kuin potkut sellaisilta pimeän aineen hiukkasilta, joiden massa on nykyisten havaintolaitteiden herkkyyden alarajalla, eli protonin massan kymmenyksestä kymmeneen protonin massaan. Tähän alueeseen kurottaminen olisi merkittävä laajennus nykyisiin menetelmiin.

Tällä hetkellä ryhmä kehittää Teksasissa detektorin prototyyppiä. Tähtäimessä on lopulta tonnin painoinen kohde, samaa kokoluokkaa kuin isoimmat nykyiset havaintolaitteet. Projekti on mielenkiintoinen esimerkki siitä, miten pimeän aineen etsiminen tuo yhteen tähtitieteen, kosmologian ja hiukkasfysiikan lisäksi myös kiinteän olomuodon fysiikan.

31 kommenttia “Suunnistuksen lähtökynnys”

  1. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Tuo koeasetelma, johon kuuluu maapallon liike suhteessa oletettuun pimeän aineen tuuleen tuo mieleen reilun sadan vuoden takaisen Michelson-Morley-kokeen, ja ennenkaikkea sen mitä myöhemmin oli tuleman. Osoittautui että eetteriä ei tarvittukkaan, Vaikka Einstein vissiin sanoi ettei M-M-koe ollut se ratkaiseva sysäys erikoiselle suhteellisuusteorialle, niin koe on silti kuuluisa.
    Herää kysymys että onko pimeä aine aikamme eetteri ? Löytyykö ratkaisu jonkun uuden Einsteinin myötä ihan toisenlaisen idean parista ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pimeä aine ja eetteri ovat hyvin erilaisia tieteellisiä hypoteeseja.

      Pimeä aine sopii hyvin yhteen muun tunnetun fysiikan kanssa, joka on selittänyt ja ennustanut oikein lukuisia havaintoja.

      Eetteri oli lähtökohtaisesti ongelmallinen, koska sen piti toisaalta kantaa sähkömagneettista säteilyä, joka vuorovaikuttaa aineen kanssa melkoisesti, mutta toisaalta olla sellainen, että sitä ei ole mitenkään muuten havaittu.

      Pimeän aineen ei tarvitse vuorovaikuttaa merkittävästi muuten kuin gravitaation kautta.

      Pimeän aineen hiukkasen voi havaita eri tavoin (riippuen siitä millainen se on), tämä suuntariippuvuuden hyväksikäyttäminen on vain yksi metodi. Samankaltaisuus Michelsonin ja Morleyn kokeen kanssa on pintapuolista.

      1. Sunnuntaikosmologi sanoo:

        Ymmärrän sen että hypoteesi pimeästä aineesta voi selittää joitakin syvän taivaan havaintoja, mutta mitä se on ennustanut ?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tähtien ja kaasun liikkeen galakseissa ja galaksiryppäissä, kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien kuvion, galaksien jakauman taivaalla, tietyn osan maailmankaikkeuden laajenemisesta, gravitaatiolinssien kuviot ja galaksien muodostumisen yksityiskohdat.

          1. Sunnuntaikosmologi sanoo:

            Fysiikan teorialle paras mahdollinen vahvistus on kun se pystyy ennustamaan jotain havaintoa yksiselitteisesti niin ettei sellaista ole ennen nähty tai osattu arvata. Hyvä klassinen esimerkki on Neptunuksen löytäminen 1800-luvulla teorialaskujen opastamana.

            Alla on kopio siitä mitä Wikipedia sanoo gravitaatilinsseistä. En epäile että kyseessä on upeaa astrofysiikkaa ja painavaa todistetta pimeän aineen olemassaolosta. Silti en näe että siinä tarkkaan ottaen on kyse siitä että teoria pimeästä aineesta olisi ennustanut jonkin kokeellisen havainnon, se on ”vain” yksi esimerkki lisää että kosmoksessa on epäsuhta havaittavan massan ja gravitaatiovaikutuksen välillä.

            Sen sijaan, jos tuo HY & Texas AM-projekti onnistuisi täydellisesti niin silloinhan kyseessä olisi nimenomaan teorian ennustama kokeellinen havainto.

            Wikipedia: ”Pimeä aine näkyy myös galaksijoukkojen muodostamissa gravitaatiolinsseissä. Tutkimalla galaksijoukon painovoimakentän vääristämiä kuvia joukon takana sijaitsevista galakseista, saadaan määritettyä linssinä toimivan galaksijoukon massajakauma ja kokonaismassa. Vertaamalla tulosta galaksin tähtien ja kaasun emittoimasta valosta laskettavissa olevaan massaan ja erityisesti näkyvän aineen jakaumaan, osoittautuu, että galaksijoukkojen massasta suurin osa on pimeää ainetta. Gravitaatiolinssi-ilmiön erityinen vahvuus on, että sillä saadaan riippumaton käsitys pimeän aineen jakaumasta. Tällä menetelmällä onkin voitu osoittaa, ettei pimeän aineen jakauma seuraa suoraan näkyvän aineen jakaumaa.”

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Pimeä aine ei ennusta vain sitä, että on gravitaatiolinssihavaintoja, vaan myös sen, millaisia ne ovat.

            Gravitaatiolinssihavainnot antavat riippumatonta tukea pimeälle aineelle verrattuna vaikkapa tähtien ja kaasun liikkeisiin galakseissa, koska ne luotaavat aika-avaruuden kaarevuuden eri piirteitä. (Valo kulkee eri tavalla kuin hitaasti liikkuva aine.)

            Esimerkiksi teorioissa muokatusta gravitaatiolaista, jotka kilpailevat pimeän aineen kanssa, galaksien kiertoliikkeiden saaminen oikein ei takaa sitä, että valon taipuminen menee oikein.

  2. Cargo sanoo:

    Olisiko aiheellista tutkia aika-avaruuden rakennetta ja pohtia voisivatko havainnot nousta sieltä? Jos vaikka lähetetään luotaimia pitkin Aurinkokuntaa mittaamaan gravitaatiovakiota, niin pienetkin muutokset kielisivät siitä, että tyhjä avaruus voi sisältää kaarevuutta? Tällöin sileä aika-avaruus voisi olla pelkkä approksimaatio hilavirheitä sisältävästä diskreetistä rakenteesta.

    Nyt vain hakkaamaan sotarumpua ja julistamaan, miten Einstein oli väärässä ja miten typerää on uskoa jonkin pimeän ad hoc -hiukkasen olemassaoloon 😉

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yleisen suhteellisuusteorian mukaan tyhjäkin aika-avaruus voi olla kaareutunut – siksi Maa kiertää Aurinkoa.

      Aika-avaruuden kaarevuutta Aurinkokunnassa on mitattu luotaimilla sadastuhannesosan tarkkuudella, ja havainnot ovat yhtäpitäviä yleisen suhteellisuusteorian kanssa.

      1. Cargo sanoo:

        Voisiko rakentaa ohuen metallikalvon, joka levitoi tyhjiössä siten, että liikuttava voima on selitettävissä vain pimeiden hiukkasten aiheuttamalla säteilypaineeella? Kun poikkipinta-ala on kohden Maan kulkusuuntaa, niin paine/voima on suurimmillaan.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Ei, koska pimeän aineen vaikutus on niin pieni.

          1. Cargo sanoo:

            Onko ylipäätään syytä olettaa, että pimeä aine vuorovaikuttaa bosoneiden kautta näkyvän aineen kanssa? Voisi kai olla niinkin, että ainetta on montaa eri lajia ja ainoa yhdistävä tekiä on yhteinen aika-avaruus, johon kukin laji jättää jälkensä. Tai pimeä aine on tavallista ainetta, joka liikkuu eri dimensioissa ja vaikuttaa aika-avaruuden kokonaismetriikkaan. Onko nykyfyysikoilla pelkoa, että tiedot rajat tulevat vastaan?

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            On tosiaan mahdollista, että pimeä aine vuorovaikuttaa vain gravitaation (tai yhtä heikon vuorovaikutuksen) kautta. Useita tällaisia vaihtoehtoja on tutkittu.

      2. Eusa sanoo:

        Onko tyhjää avaruusaikaa olemassa? Miten määrittelet tyhjyyden?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          On. Käsite ei olekaan yksinkertainen (aiheesta täällä: https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/naennainen_todellisuus ), mutta tässä yhteydessä asia on selvä.

          1. Syksy Räsänen sanoo:

            Tämä riittäköön tästä.

  3. Syksy Räsänen sanoo:

    Muistutus, että tämä kommenttiosio ei ole sopiva paikka omien fysiikan teorioiden esittelemiseen.

    Sellaisia kommentteja toistuvasti lähettävät käyttäjät saavat jatkossa pysyvän kiellon.

    (Tämä ei liity kommentteihin, joita on täällä julkaistu, vaan moderointiin jääneisiin kommentteihin.)

  4. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Osaatko sanoa jotain summittaista kuinka suuri osa hiukkasfysiikan rahoituksesta menee nykyään sellaisiin projekteihin joissa ensisijainen tai ainoa päämäärä on pimeän aineen hiukkasten detektointi ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pimeää ainetta voi etsiä kiihdyttimillä, astrofysikaalisilla havainnoilla ja suoran havainnon laboratoriokokeilla. Näistä viimeksi mainitut ovat ainoita, joiden ensisijainen tai ainoa päämäärä on pimeän aineen löytäminen. Ne ovat myös halvempia kuin kiihdytinkokeet, teleskoopit tai satelliitit. Prosenttilukua en osaa antaa.

  5. Kari Leppälä sanoo:

    Siis jos ymmärsin oikein, tuo vuorovaikutus jolla pimeitä hiukkasia pyritään havaitsemaaan on liike-energiaa, eli hiukkanen muuttaa detektorin molekyylin värähtely / liiketilaa ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä, pimeän aineen hiukkanen törmää kohteessa olevan atomin ytimeen ja antaa sille liike-energiaa. Tämän takia atomi liikkuu ja siitä voi irrota elektroni.

  6. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Wikipedian artikkelissa pimeästä aineesta, aivan alussa, on tämä lause:

    ”Sen [pimeä aine] vaikutus tavalliseen aineeseen on kuitenkin havaittavissa gravitaation ja heikon vuorovaikutuksen kautta.”

    Mihin perustuu tuo väitteen jälkimmäinen osa, että on havaittavissa heikon vuorovaikutuksen kautta ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En mielelläni rupea kommentoimaan Wikipedian artikkeleita. Jotkut pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat heikon vuorovaikutuksen kautta, toiset eivät.

  7. Erkki Tietäväinen sanoo:

    Onko pimeän aineen avulla todellakin ennustettu tähtien ja kaasun liike galakseissa ja galaksiryppäissä, kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien kuvio, galaksien jakauma taivaalla, tietty osa maailmankaikkeuden laajenemisesta, gravitaatiolinssien kuviot ja galaksien muodostumisen yksityiskohdat? Vai tarkoitatko ennustamisella selittämistä?

    Olen ymmärtänyt asian niin, että kun tietyt laskutoimitukset eivät ole ”menneet tasan”, avuksi on tarvittu lisää ainetta ja kun sitä ei ole löydetty, selitykseksi on ”ennustettu” pimeän aineen olemassaolo.

    Minä en käyttäisi pimeää ainetta ennustamiseen niin kauan kuin siitä ei tiedetä juuri mitään.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      On. Pimeä aine on otettu käyttöön galakseissa ja galaksiryppäissä tapahtuvien liikkeiden selittämiseksi, ja sen jälkeen se on onnistuneesti selittänyt lisää näitä liikkeitä, mukaan lukien erilaisissa olosuhteissa, sekä muut mainitsemani tekijät.

      Näiden havaintojen kannalta pimeän aineen hiukkasne yksityiskohdat eivät ole tärkeitä, ainoastaan se, että se on kylmään (eli ei liiku nopeasti ympäriinsä).

  8. Lentotaidoton sanoo:

    Onko Nordlung & kumpp ryhmällä mitään ennakko-oletusta siitä mitä jahtaavat? Eli mikä siellä mahdollisesti ”potkii”? Onko olettamuksena WIMPit? Luulisi kokeen priorisoituvan jonkin tyypin etsiskelylle.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tällaiset tönäisykokeet luotaavat kaikkia hiukkasia, joiden vuorovaikutus atomiydinten kanssa ja massa sattuvat tiettyyn haarukkaan.

      Alun perin WIMP viittasi hiukkasiin, joiden vuorovaikutus ja massa on heikon vuorovaikutuksen suuruusluokkaa, mutta sellaiset olisi jo nähty. Tässä mielessä tiedämme, että pimeä aine ei koostu WIMPeistä. Nyttemmin W niin Weak on tosin uudelleentulkittu siten, että se ei viittaa heikkoihin vuorovaikutuksiin erisnimenä (eli Standardimallin W- ja Z-bosonien välittämään vuorovaikutukseen), vaan on yleisnimi vuorovaikutuksille, jotka ovat hyvin heikkoja.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/nynnyjen-hautajaiset/

      1. Lentotaidoton sanoo:

        OK kiitos. Siis nämä FIMPit (Feebly Interacting Massive Particle). Ja tämän myötä myös aksionit ja steriilit neutriinot entistä jahdatuimmiksi (LHChän jahtaa myös näitä aksioneja, https://www.wired.co.uk/article/large-hadron-collider-dark-matter).

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          FIMPit vuorovaikuttavat niin heikosti, että tuo koe ei pysty näkemään niitä.

          1. Lentotaidoton sanoo:

            Räsänen: ”Tällaiset tönäisykokeet luotaavat kaikkia hiukkasia, joiden vuorovaikutus atomiydinten kanssa ja massa sattuvat tiettyyn haarukkaan”.

            Vai niin. No JOS EI FIMPitkään, niin mikä sitten on tämä TIETTY ”haarukka”? Vai onko kyse vain TÄMÄN kokeen ”haarukasta”? Onko se kiinni näistä kiteistä/tulokulmista (protonin massan kymmenyksestä kymmeneen protonin massaan = tuo Texasin uusi detektori)? Sori että jankkaan.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Haarukka määräytyy laitteen herkkyyden mukaan.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Silmukoiden koukkuamista

28.6.2018 klo 21.21, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Toissaviikolla Helsingissä pidettiin gravitaatioaaltodetektori LISAn kosmologiatyöryhmän kokous. LISAn on määrä nousta taivaalle vasta vuonna 2034, mutta miljardien eurojen projektia suunnitellaan hyvissä ajoin.

En ole LISA-projektissa mukana, joten työryhmien organisoimisen ja projektien hallinnoimisen sijaan seurasin lähinnä esityksiä mahdollisista gravitaatioaaltojen lähteistä, joita LISAn voisi havaita.

LISA näkee varmasti galaksien keskustoissa olevien miljoonia tai miljardeja kertaa Aurinkoa raskaampien mustien aukkojen törmäyksiä. Havainnot auttavat ymmärtämään niiden syntyä ja kasvua, joka liittyy isäntägalaksien kehitykseen tavalla, jota ei vielä täysin ymmärretä. LISA saattaa myös nähdä näihin valtaviin mustiin aukkoihin tiukoilla radoilla syöksyviä kevyempiä kappaleita. Jättiläisten lisäksi LISA pystyy myös seuraamaan sitä, miten muutaman Auringon massan kokoiset mustat aukot kiertävät toisiaan ennen yhteen suistumista. LIGO näkee parien noin viimeisen sekunnin, LISA havaitsee loppua edeltäneet rauhallisemmat hetket vuosia aiemmin. Pidempi havaintoaika auttaa testaamaan yleistä suhteellisuusteoriaa tarkemmin.

Varmojen tähtitieteellisten kohteiden lisäksi kiinnostavia ovat spekulatiiviset hiukkasfysiikkaan liittyvät havainnot, yhtenä niistä kosmiset säikeet.

Kosmiset säikeet ovat kappaleita, joiden leveys on hiukkasfysiikan luokkaa, mutta pituus on kosminen. Säikeiden halkaisija on tyypillisesti paljon protonin sädettä pienempi ja pituus miljardeja valovuosia, eli ne ovat oleellisesti yksiulotteisia kappaleita. (Säieteorian säikeiden kanssa kosmisilla säikeillä ei välttämättä ole mitään tekemistä, vaikka säieteoriassakin sellaisia voi olla.)

Kosmiset säikeet –jos niitä on olemassa– ovat muodostuneet sekunnin ensimmäisen murto-osan aikana hiukkasfysiikan kenttien olomuodon muutoksissa. Tapahtumaa voi hahmotella vertaamalla veden muutoksiin. Nestemäisessä vedessä ei ole mitään erityisiä suuntia, molekyylit poukkoilevat samalla tavalla joka puolelle. Veden jäätyessä molekyylit asettuvat aloilleen säännölliseksi kristalliksi. Kun jäätyminen alkaa eri kohdista, kasvavat kristallit osoittavat eri suuntiin. Kahden kristallin kohdatessa syntyy virhe, kohtaamispinta, joka on erilainen kuin kumpikaan niistä.

Hiukkasfysiikassa on veden sijaan kyse hiukkaskentistä, jotka muuttamat olomuotoaan kun aineen lämpötilan laskee maailmankaikkeuden laajetessa. Kaksiulotteisten pintojen lisäksi voi syntyä yksiulotteisia kosmisia säikeitä ja pistemäisiä monopoleja. Nämä ovat kaikki ovat yhtymäpisteissä syntyneitä virheitä.

Hiukkasfysiikan Standardimallin kenttien muutoksissa ei synny tällaisia jäänteitä, mutta monissa sen laajennuksissa syntyy. Kosmiset säikeet olivat suosiossa 1980-luvulla, jolloin ne kilpailivat kosmisen inflaation kanssa rakenteen synnyn selittämisestä.

Inflaation mukaan maailmankaikkeuden kaiken rakenteen siemenet ovat syntyneet kvanttivärähtelyistä. Vaihtoehtoinen selitys oli se, että aineen epätasaisuudet ovat syntyneet raskaiden säikeiden pyyhkiessä aineen halki ja sekoittaessa sitä. Vastuussa olevien säikeiden paino on huimaa mittaluokkaa: sadan metrin pala painaisi yhtä paljon kuin Kuu.

Kvanttivärähtelyt ja kosmiset säikeet saavat aikaan erilaisia siemeniä. Kosmisesta inflaatiosta vastuussa olevan kentän arvo on kvanttivärähtelyjen takia joissain paikoissa isompi ja toisissa pienempi. Kaikki ain syntyy tästä kentästä. Tämän takia sinne, missä kentän arvo on isompi, syntyy enemmän sekä tavallista ainetta että pimeää ainetta. Kosmiset säikeet sen sijaan vispaavat aineen osasia siten, että aineen tiheys säilyy samana: kun säikeet tekevät jonnekin aallonharjan tavallista ainetta, ne myös synnyttävät aallonpohjan pimeää ainetta.

Kosmisesta mikroaaltotaustasta näkyy yksityiskohtaisesti, millaisista epätasaisuuksista rakenteet ovat syntyneet. 1990-luvulla tehdyt tarkat mittaukset osoittivat, että tavallisen aineen ja pimeän aineen huiput ovat samoissa kohdissa: inflaation ennuste on oikea ja kosmisten säikeiden väärä.

Tappion myötä kosmisten säikeiden hohto hiipui, mutta viime vuosina niistä ollaan taas kiinnostuttu. Yksi syy on herkemmät havaintolaitteet. Vaikka kosmiset säikeillä ei ole pääosaa maailmankaikkeuden tarinassa, ne voivat silti näytellä pientä roolia, jonka havaitsee kun oikein tihrustaa. Mitä kevyempiä säikeet ovat, sitä vähäisempi vaikutus niillä on. Kosmisesta mikroaaltotaustasta on etsitty jälkiä säikeistä, jotka hieman häiritsisivät inflaation synnyttämiä epätasaisuuksia, mutta mitään ei ole näkynyt. LISAsta tulee paljon tarkkasilmäisempi kosmisten säikeiden syynääjä.

Maailmankaikkeuden laajetessa säikeet venyvät avaruuden mukana katkeamatta. Ne myös liikkuvat avaruudessa ja voivat kiertyä itsensä ja muiden ympäri. Jos säie kiertyy lenkille ja koukkaa itsensä kanssa, lenkki voi leikkautua irti. Orpo silmukka sitten säteilee energiansa pois hiukkasina ja gravitaatioaaltoina ja kutistuu olemattomiin. Säikeet myös värähtelevät, mikä sekin synnyttää gravitaatioaaltoja, erityisesti risteämiskohdissa, mistä lenkit ovat leikkautuneet irti ja jättäneet jälkeensä terävän kulman sileän säikeen keskelle.

Gravitaatioaaltojen kautta LISA voi havaita säikeitä, jotka ovat miljoona kertaa kevyempiä kuin ne, mitkä olisivat selittäneet rakenteiden synnyn. Nämä ovat aivan liian kevyitä kosmisen mikroaaltotaustan havaittavaksi, mutta arkisessa mittakaavassa silti valtavan raskaita – millimetri painaisi saman verran kuin Mount Everest.

Uusien hiukkasfysiikan kenttien etsiminen gravitaatioaaltojen kautta on esimerkki siitä, miten fyysikot kehittävät uudenlaisia mittalaitteita ja keksivät odottamattomia tapoja naarata tuonpuoleista, kun mitään uutta ei ole nähty.

5 kommenttia “Silmukoiden koukkuamista”

  1. Heikki Poroila sanoo:

    Maallikon ehkä tyhmä kysymys: mikä oletettujen kosmisten säikeiden varmasti ilmoitetun painon (sata metriä protonin ”paksuista” säiettä Kuun verran) aiheuttaa?

    Samalla ihan pieni terminologinen kommentti: veden jäätymistä kuvaavassa kohdassa esiintyy sana ”kristalli”. Kun sanalla on suomessa eri merkityksiä (monet ehkä näkeee kimpaleen vuorikristallia eli kvartsia kiteisessä muodossa tai kiderakenteeltaan amorfisen kristallihiotun lasivaasin), olisiko parempi puhua ”kiteistä” (jäähän on kiderakenteeltaan kuusikulmaista)? Kiteen englanninkielinen vastine on ”crystal”.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos kysymyksestä, on hauska päästä kommenteissa selventämään asioita, joita sujuvuuden ja pituuden vuoksi en laita merkintään.

      Säikeiden jännitys, eli energia per pituusyksikkö, on vakio, eli ne venyvät siten, että se säilyy vakiona. (Toisin kuin vaikkapa kuminauhat, joiden jännitys kasvaa venytettäessä.) Tämä jännitys määräytyy siitä energiasta, millä kentän olomuodon muutos tapahtuu.

      Selvennettäköön, että säikeiden halkaisija on siis palkon protonia pienempi – tuossa rakenteen siementen selittäjäksi tarkoitetussa tapauksessa 10^(16) kertaa pienempi.

      Pyyhkiessään aineen halki kosmiset säikeet aiheuttavat suhteellisia tiheysvaihteluita, jotka ovat suuruusluokkaa jännitys * Newtonin vakio, eli (muutoksen energiaskaala/Planckin massa)^2. 1980-luvulla suosituksi tulleissa yhtenäisteorioissa kaikki vuorovaikutukset yhtyvät energialla, joka on noin 100 kertaa pienempi kuin kvanttigravitaation Planckin skaala, joten tämä ennusti varhaisten aikojen epätasaisuuksien suuruuden, noin 10^(-5), oikein.

      Inflaatiomallit eivät yleensä ennusta epätasaisuuksien suuruutta, ne voisivat periaatteessa olla palkon isompia tai pienempiä. Tässä mielessä kosmiset säikeet olivat vakuuttavampi ehdokas, kun tuo yhtenäisteorian energiaskaala tiedettiin erikseen.

      Niinpä tilanne näytti hyvältä: yhtenäisteorioiden skaala tunnetaan ja ne ennustavat olomuodon muutoksia joissa syntyy kosmisia säikeitä. Hiukkasfysiikka ja kosmologia sopivat hienosti yhteen.

      Valitettavasti tämä ei kuitenkaan pitänyt paikkaansa. Kosmiset säikeet ovatkin varoittava esimerkki siitä, miten kauniita ja harhaanjohtavia sattumia fysiikassa on.

      Saatat olla kide-sanasta oikeassa.

  2. Cargo sanoo:

    Erittäin mielenkiintoista, mutta voisiko LISA havaita myös eetteripyörteitä yms. tonttuhiukkasia? Jotenkin tulee mieleen, että tutkijat hypettävät ja markkinoivat projektiaan suurelle yleisölle sekä erityisesti poliitikoille, joille pelkistä mustista aukoista puhuminen tuo mieleen vain budjettivajeen.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tarkennatko kysymystäsi? En ymmärrä kommenttiasi mustista aukoista ja budjettivajeesta.

  3. Lentotaidoton sanoo:

    Lisäluettavaa esim.: https://cosmosmagazine.com/physics/cracks-in-the-universe

    Jahtaammeko turhaan? Another possibility is that ancient cosmic strings radiated away their energy and faded to nothingness too quickly after the Big Bang to have left a lasting impression.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Myötä- ja vastoinkäymisissä

25.5.2018 klo 13.09, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pimeä aine on selittänyt ja ennustanut onnistuneesti useita erilaisia havaintoja. Toistaiseksi kuitenkin kaikki todisteet pimeän aineen puolesta perustuvat siihen, miten sen gravitaatio vaikuttaa aineen ja valon liikkeisiin. Pimeän aineen hiukkasen löytäminen varmistaisi, että selitys on todella oikea.

Pimeää ainetta on etsitty monin konstein: on syynätty pimeän aineen hiukkasten ja antihiukkasten annihilaation tai hajoamisen merkkejä taivaalta sekä Maan ja Auringon ytimestä, tutkittu pimeän aineen syntymistä hiukkaskiihdyttimissä, luodattu sen vaikutuksia tähtien kehitykseen sekä neutronitähtien rakenteeseen ja törmäyksiin, sekä odotettu sen tönäisyjä maan alla. Toistaiseksi pimeästä aineesta ei ole löytynyt kiistattomia todisteita, kiisteltyjä kylläkin.

Koeryhmä nimeltä DAMA on jo vuosia väittänyt löytäneensä pimeän aineen, mutta muu tiedeyhteisö ei ole vakuuttunut. Yleensä havaintoihin liittyvissä erimielisyyksissä on kyse joko siitä että signaali on uusi, joten mahdollisia systemaattisia virheitä ei ole ehditty syynätä (kuten valoa nopeampien neutriinojen ja BICEP2:n gravitaatioaaltojen tapauksessa), tai siitä että ne eivät ole tilastollisesti merkittäviä, joten lukuja voi tulkita eri suuntiin. DAMAn kohdalla on toisin: koeryhmä on kerännyt dataa vuodesta 1995 asti, ja signaali on samanlainen vuodesta toiseen. Ryhmän maaliskuussa julkistamien uusimpien tulosten myötä DAMA on ilmoittanut löytäneensä pimeän aineen hiukkasen nyt jo 99.999999999999999999999999999999999996% todennäköisyydellä.

Ongelmana on se, että yksikään muu ryhmä ei ole pystynyt toistamaan havaintoja. DAMA on yksi monesta kokeesta, joka etsii merkkejä siitä, että pimeä aine tönii tavallista ainetta. Jos pimeää ainetta on olemassa, niin sitä on kaikkialla Linnunradassa, myös Maapallon kohdalla. Niinpä pimeän aineen hiukkaset toisinaan törmäävät tavallisen aineen hiukkasiin. Tätä on verraten helppo tutkia: otetaan koepala, eristetään se häiriöistä ja odotetaan, tuleeko potkuja.

Pimeä aine vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa heikosti, ja potkujen tahti ja riippuu siitä, millaisesta hiukkasesta on kyse. Tällä tavalla ei löydä aksioneja, steriilejä neutriinoja eikä heksakvarkkeja, mutta menetelmä on omiaan nynnyjen kaltaisten hiukkasten näkemiseen.

Vaikka nynnyt vuorovaikuttavat heikosti, ongelmana ei ole tönäisyjen havaitseminen, vaan niiden erottaminen taustakohinasta. Kaikki aine on radioaktiivista, ja ydinten hajoamisessa syntyvät hiukkaset tärisyttävät koepalaa koko ajan.

Useimmat kokeet erottelevat pimeän aineen ja radioaktiivisuuden signaalit mittaamalla koepalan värähtelyn lisäksi joko valosignaalin tai koepalasta irti lähtevän sähkövarauksen, tai muut kaksi signaalia näistä kolmesta. Radioaktiivisuus ja pimeä aine tuottavat erilaiset yhdistelmät värähtelyä, valoa ja sähkövarauksia. Tällaiset kokeet ovat toisinaan saaneet vihjeitä pimeästä aineesta, mutta lopulta käteen on jäänyt vain entistä vahvempia rajoja sille, miten voimakkaasti pimeän aineen hiukkaset voivat vuorovaikuttaa.

DAMA mittaa vain valonvälähdyksiä, eikä yritäkään erottaa, mitkä yksittäiset potkut ovat peräisin pimeästä aineesta. Sen sijaan koe käyttää hyväkseen liikettämme pimeän aineen tuulessa.

Pimeän aineen hiukkaset kulkevat yhtä lailla eri suuntiin, niin että keskimäärin pimeä aine on levossa Linnunradan suhteen. Kun Aurinkokunta taivaltaa Linnunradan ympäri, liikkeestä aiheutuu näennäinen pimeän aineen tuuli. Maan kiertäessä Aurinkoa kuljemme välillä tuulen suuntaan ja välillä tuulta vastaan. Pimeän aineen hiukkasia kulkee Maapallon halki enemmän tuulta vastaan käydessä ja vähemmän samaan suuntaan käydessä.

DAMA ei välitä potkujen kokonaismäärästä, vaan keskittyy niiden muutokseen ajan myötä. Se näkee maksimin kesäkuun 2. päivä ja minimin puolen vuoden kuluttua siitä, juuri Aurinkokunnan ja Maan liikkeen suuntien perusteella odottaisi, jos kyse on pimeästä aineesta. Myös vuosittaisen vaihtelun muoto ja suuruus vastaa odotuksia. Sama pätee potkujen energiaan: liian kevyet tai vahvat potkut (jotka eivät oletettavasti johdu pimeästä aineesta) eivät vaihtele kuukausien myötä, ainoastaan sopivan suuruiset. Signaali selittyy kauniisti pimeän aineen hiukkasella, jonka massa on noin 10 tai 70 protonin massaa.

Jos havainnoista olisi vastuussa pimeän aineen hiukkanen, joka on niin yksinkertainen kuin mitä yleisimmin odotetaan, niin muiden kokeiden olisi pitänyt nähdä se myös. Toisin sanoen joko pimeä aine on odotettua monimutkaisempaa tai DAMAn koetulosten tulkinta on väärin.

On monia asioita, jotka vaihtelevat vuoden kiertokulussa: lämpötila, kosteus ja niin edelleen. Ne voivat periaatteessa vaikuttaa koelaitteiden herkkyyteen, ja DAMAn koepalassa tiedetään olevan Potassium40-ytimiä, joiden hajoamistuotteista tulee juuri sen suuruinen potku kuin minkä koe näkee. Koeryhmä sanoo kuitenkin käyneensä huolellisesti läpi kaikki mahdolliset tekijät. DAMAn koe sijaitsee Italiassa 1400 metriä Gran Sasso -vuoren alla, hyvin eristettynä monista häiriöistä, kuten taivaalta satavista kosmisista säteistä.

Samassa luolassa DAMAn vieressä makaa kilpailija nimeltä XENON100, eikä se ole nähnyt mitään kuukausittaista vaihtelua signaalissa. Kokeet ovat toki erilaisia. DAMAn ensimmäinen koepala oli 100-kiloinen natriumjodidikristalli, sen seuraaja DAMA/LIBRA 250-kiloinen. XENON100 käyttää nimensä mukaisesti xenonia, jota on yhteensä 165 kiloa nestemäisessä ja kaasumaisessa muodossa. Tämä saattaa selittyä sillä, että pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat eri tavalla eri alkuaineiden kanssa, koska näiden ytimissä on eri määrä protoneita ja neutroneita.

Mutta vaikka on esitetty useita malleja, jotka voivat sovittaa havainnot yhteen, se ei poista sitä, että vain DAMA näkee signaalin. Asiasta pitäisi saada riippumaton vahvistus, ja DAMAlla on hieman epämääräinen maine. Esimerkiksi tismalleen samanlaista koetta ei ole voitu toistaa, koska DAMAn kristalli on patentoitu eikä koeryhmä anna kenenkään muun tehdä samanlaista DAMA on hankkinut yksinoikeuden käyttämänsä kristalliin, eikä salli muiden hankkia samanlaista eikä valmistusmenetelmän julkistamista. (Kristallin valmistaneen yrityksen edustajan mukaan yksinoikeus on tosin jo päättynyt.) On kuitenkin suunnitteilla koe SABRE, joka käyttäisi samantyyppistä natriumjodidikristallia. Koeryhmä laittaisi yhden kristallin Gran Sassoon ja vertailun vuoksi toisen Stawellin kaivokseen Australiassa. Projekti on kuitenkin ilmeisesti vastatuulessa, ja sen toteutuminen ja aikataulu ovat epäselviä.

Jos DAMA on oikeassa, se jää historiaan yhtenä vuosisadan vaihteen merkittävimmistä fysiikan kokeista, joka oli edellä muita ja sai tunnustusta vuosikymmeniä myöhässä. Jos DAMA on väärässä, se unohdetaan esimerkkinä ennenaikaisten väitteiden ja huolimattoman analyysin vaaroista. Tässä vaiheessa ei tiedetä, miten käy: onko DAMA antanut ratkaisevia vihjeitä pimeän aineen odottamattomasta luonteesta, vai onko sen seuraaminen harharetki.

Päivitys (28/05/18): Virhe DAMAn kristallin patentista korjattu.

23 kommenttia “Myötä- ja vastoinkäymisissä”

  1. DAMA-skeptikko sanoo:

    DAMA ei myöskään ole avannut tulosanalyysiaan useista pyynnöistä huolimatta. Jos kyseessä olisi heidän omasta mielestään todella varmalla pohjalla oleva tulos, luulisi että avoimuus ei tuottaisi ongelmia.

  2. Heikki Poroila sanoo:

    Kiitos tästä uutisen evaluoinnista, joka on esimerkillisen selkeä ja kiihkoton asiantuntijan avaus ei-asiantuntijalle monia kiinnostavasta aiheesta. Erityisen hyvin on esillä se, että sekä havaintoihin että niiden puuttumiseen voi olla useita eri syitä.

    DAMAn haluttomuus antaa muiden valmistaa identtistä koepalaa kuulostaa epäilyttävältä. Toisaalta on tietenkin niin, että pimeän aineen löytäjää odottava palkinto on niin haluttu, että ehkä se yksinään selittää tieteelle vieraan salailun. Toisaalta jos kukaan ei pysty toistamaan koetta, ei sitä palkintoakaan heru.

  3. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Pimeän aineen olemassaolo siis perustellaan sillä että tiettyjä syvän taivaan havaintoja ei voi selittää ellei ole jotain suurta ylimääräistä gravitaation lähdettä.
    Oman aurinkokuntamme ympyröissähän on painovoimaa, asteroidien ja planeettojen liikettä, y.m. mitattu erittäin suurella tarkkuudella. Miksei pimeän aineen paikallisesta gravitaatiovaikutuksesta ole mitään puhetta ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aurinko ja planeetat ovat paljon tiheämpiä kuin Linnunradan aine (mukaan lukien pimeä aine) keskimäärin, joten he hallitsevat Aurinkokuntaa. Pimeästä aineesta aiheutuvat korjaukset kappaleiden liikkeisiin ovat paljon nykyisten mittausten tarkkuuden alapuolella.

      Pimeä aine ei klimppiydy yhtä tehokkaasti kuin tavallinen aine, koska se ei pysty säteilemään energiaa pois ja jäähtymään. Kaasun jäähtymiseen liittyvä kutistuminen on keskeistä tähtien synnyssä.

  4. Eusa sanoo:

    Voisivatko DAMAn tulokset selittyä laitteistoriippuvalla neutriinovuon havainnoilla, jos tuollaista neutriinovuota poukkoilisi keskimäärin isotrooppisesti suhteessa galaksin haloon?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei. Neutriinoista johtuvat potkut ovat paljon pienempiä.

      1. Eusa sanoo:

        Niin, tunnetuista neutriinoista johtuvat potkut tiedetään.

        https://arxiv.org/pdf/1711.04531

        ”Above 30 MeV, the atmospheric neutrinos start to be dominant, with measurements above 150 MeV energy, and a total flux in the ballpark of a few/cm2/s. The above window is quite important because it corresponds to a momentum transfer scale that is associated with the optimum sensitivity region of dark matter detectors, such as large xenon-based detectors. Therefore, if there is an additional neutrino or neutrino-like component of dark radiation, the bottom of the direct detection ’neutrino floor’ can be closer than expected.”

  5. Cargo sanoo:

    Ehkä pimeää ainetta ei havaita sen takia, ettei kyseessä ole aine vaan aika-avaruuden ominaisuus, esim. rakenteellinen hilavirhe, joka antaa ylimääräistä kaarevuutta. En nyt spekuloi enempää, mutta kysyisin, että onko noiden havaitojen takana pakko olla massallinen hiukkanen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Toinen vaihtoehto on se, että yleinen suhteellisuusteoria ei päde.

  6. Kari Leppälä sanoo:

    Olen ollut paljon tekemisissä patenttien kanssa. Patentit rajoittavat vain kaupallista hyödyntämistä. Tieteellisissä kokeisssa ja ei-kaupallisissa prototyypeissä voi käsittääkseni käyttää vapaasti mitä tahansa teknologiaa joka toimii. Olisiko tässä jokin vivahde jota en huomaa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos huomautuksesta! Tarkistin asian, ongelmana ei ole patentti (joka ei taida edes olla DAMAlla), vaan se, että DAMA on hankkinut yksinoikeuden kristalliin, eikä salli yrityksen kertoa miten se on valmistettu, eikä valmistaa sellaista kenellekään muulle.

      Olin aiemmin lukenut väitteitä, että yksinoikeus on ikuinen, mutta vuonna 2016 yrityksen kristallitutkija on kertonut, että yksinoikeusaika on jo loppunut:

      https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/PT.3.3229

      1. Kari Leppälä sanoo:

        Näin se varmaan on. Ketään ei tietenkään voi painostaa paljastamaan teknisiä salaisuuksia, vaan kilpailijoiden on keksittävä kiteen tuottamisen niksit itse.

      2. Jernau Gurgeh sanoo:

        Minulla ei ole kokemusta patenteista, mutta olen ymmärtänyt, että patenttihakemuksessa pitää olla kaikki tieto siitä mitä ollaan patentoimassa. Esimerkiksi valmistusaineet ja/tai valmistusmenetelmä, prosessi (resepti). Muutenhan patenttia ei voida hyväksyä ellei tiedetä mitä patentoidaan. Ja kaikki tämä eli patentti on julkista tietoa.

        Edellä mainittu nimenomaan aiheuttaa pienille tekijöille tilanteen, että heidän ei kannata patentoida keksintöjään, koska silloin he joutuvat paljastamaan sen kaikille (isoille pelureille) eikä heidän resurssit riitä valvomaan patenttirikkomuksia, se kun jää aina patentinhaltijan omalle kontolle. (On parempi pitää omat reseptit salaisena ja toivoa, että isoilla pelureilla menee mahdollisimman kauan aikaa selvittää ne omin voimin.)

        Yritän siis sanoa, että tuo kristallin koostumus ja sen valmistusmenetelmä pitäisi olla juuri patentin takia julkista tietoa ja sen voisi siten valmistaa joku muu yritys kuin tuo joka toimittaa kristallit DAMAlle. Tässä oletuksena siis aiempi kommentti, jossa todetaan että patentti ei suojaa tieteelliseen tarkoitukseen käytettävää teknologiaa. Eli DAMAn ja heille kristallin toimittavan yrityksen ei pitäisi mitenkään pystyä estämään tätä, vaikka heillä on kahdenvälinen sopimus.

        Eri asia sitten on, mikä taho tai yritys tällaiseen lähtisi mukaan.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          En siis tiedä, onko tuosta kristallista patenttia. Mutta vaikka se olisi julkinen, valmistustavan toteuttaminen alusta alkaen vain patentin pohjalta ei välttämättä ole helppoa.

  7. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: Ongelmana on se, että yksikään muu ryhmä ei ole pystynyt toistamaan havaintoja.

    Eikö tämä ole epäviisasta (tyhmää?) toimintaa. JOS tosiaan DAMA on löytänyt pimeää ainetta niin tässä olisi ainesta todennäköisesti tulevaan Nobeliin. Jos muutkin (ja yleisesti tiedeyhteisö) olisi vakuuttunut, että pimeä aine on tällä (tai jollain läheisesti vastaavalla) tavalla löytynyt, niin DAMAhan olisi silloin se ensimmäinen ja oikeutettu palkintoon (näinhän Nobeleissa toimitaan). Siis miksi estäisi muitakin toteamasta samaa samalla menetelmällä? Vai olenko kokonaan hakoteillä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tätä SABREn johtaja Frank Calaprickin ihmettelee linkkaamassani Physics Todayn artikkelissa:

      https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/PT.3.3229

  8. ”DAMA ei välitä potkujen kokonaismäärästä, vaan keskittyy niiden muutokseen ajan myötä. Se näkee maksimin kesäkuun 2. päivä ja minimin puolen vuoden kuluttua siitä, juuri Aurinkokunnan ja Maan liikkeen suuntien perusteella odottaisi, jos kyse on pimeästä aineesta. Myös vuosittaisen vaihtelun muoto ja suuruus vastaa odotuksia. Sama pätee potkujen energiaan: liian kevyet tai vahvat potkut (jotka eivät oletettavasti johdu pimeästä aineesta) eivät vaihtele kuukausien myötä, ainoastaan sopivan suuruiset. Signaali selittyy kauniisti pimeän aineen hiukkasella, jonka massa on noin 10 tai 70 protonin massaa.”

    Tämä on erittäin mielenkiintoista. Ovatkohan havainneet mitään vaihtelua sen mukaan mikä vuorokauden aika on tai sen mukaan missä Kuu on suhteessa Maapalloon ja Aurinkoon?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En tiedä.

  9. ”koeryhmä on kerännyt dataa vuodesta 1995 asti, ja signaali on samanlainen vuodesta toiseen”

    Eli ilmeisesti esim. Jupiterin sijainti ei vaikuta signaaliin ollenkaan?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei ole mitään syytä, miksi vaikuttaisi. Tämä ei ole astrologiaa, vaan tiedettä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kohti viimeistä rajaa

15.5.2018 klo 20.37, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mustat aukot ovat olleet osa yleisen suhteellisuusteorian historiaa alusta alkaen. Albert Einstein ja David Hilbert hahmottivat teorian lopullisen muodon marraskuussa 1915. Ei kestänyt kuin kuukausi kun ensimmäisessä maailmansodassa Saksan itärintamalla palvellut Karl Schwarzschild löysi mustia aukkoja kuvaavan ratkaisun, joka nykyisin kantaa hänen nimeään. Tämä oli teorian yhtälöiden ensimmäinen täsmällinen ratkaisu. Se jäi Schwarzschildin tunnetuimmaksi saavutukseksi: hän kuoli puolen vuoden kuluttua mahdollisesti rintamalla saamaansa tautiin.

Aluksi mustia aukkoja pidettiin teoreettisina kummajaisina, joilla ei ole tekemistä todellisuuden kanssa. Ensimmäistä osviittaa toiseen suuntaan saatiin 1920-30-lukujen vaihteessa. Silloin joukko tutkijoita, tunnetuimpana Subrahmanyan Chandrasekhar, osoitti että tavallisesta aineesta koostuvat tähdet eivät voi olla vakaita, jos niiden massa on yli 1.4 Auringon massaa. Neutronitähdet voivat olla ehkä noin tuplasti raskaampia. Tämän johtopäätöksen hyväksymisessä meni aikansa, koska se tarkoittaa, että mikään ei voi pysäyttää tähden luhistumista, joten syntyy musta aukko, joita pidettiin liian kummallisina. Nykyään tulokseen suhtaudutaan tismalleen päinvastoin: se osoittaa, että mustat aukot ovat yleisiä.

Sitten 1950-luvun lopulta alkaen hahmotettiin, että mustat aukot eivät ole synkkinä yksin, vaan niiden ympärillä on kaikenlaista elämöintiä. 1960-70-luvulla ymmärrettiin, että galaksien keskustoissa lymyävät jättimäiset mustat aukot toimivat kvasaareina tunnettujen kirkkaiden purkausten energialähteenä. Nykyään tiedetään, että monien galaksien keskustassa on valtava musta aukko, joka kehittyy yhdessä galaksin kanssa.

Pitkään havainnot mustista aukoista perustuivat epäsuoraan päättelyyn: havaittiin pienessä tilassa oleva massiivinen kappale, joka ei lähetä valoa, eikä tiedetty mikä muukaan se voisi olla (vaikka jotain ideoita esitettiinkin).

Tilanne muuttui vuonna 2015, kun gravitaatioaaltojen avulla kuultiin mustien aukkojen yhtyvän toisiinsa, ja nyt törmäysten havaitsemisesta on tullut rutiinia. Gravitaatioaaltojen avulla on toistaiseksi havaittu sellaisia mustia aukkoja, joiden massa on noin kymmenen Auringon massaa, ja jotka ovat oletettavasti syntyneet tähtien romahtaessa. 2030-luvulla laukaistavaksi kaavailtu satelliittikolmikko LISA pystyy saamaan haaviin kaukaisten galaksien keskustoiden mustien aukkojen sulautumisesta syntyviä aaltoja.

Sitä ennen apajille ehtii Event Horizon Telescope, joka nimensä mukaisesti pyrkii napsaisemaan kuvan naapurustomme mustien aukkojen tapahtumahorisontin ympäristöstä. Tapahtumahorisontti on viimeinen raja, josta ei ole paluuta, yksisuuntainen pinta, jonka jälkeen on pakko kulkea alaspäin kohti keskustaa samalla vääjäämättömyydellä kuin millä mustan aukon ulkopuolella liikkuu ajassa aina eteenpäin.

Tapahtumahorisontin näkeminen on vaikeaa, koska se on tähtitieteellisessä mittakaavassa pieni. Linnunradan keskustassa oleva mustan aukon massa on noin neljä miljoonaa Auringon massaa, ja tapahtumahorisontin säde on 25 miljoonaa kilometriä. Tämä on kuudesosa Maan ja Auringon välisestä etäisyydestä. Koska musta aukko taivuttaa valoa, se näyttää 2.6 kertaa isommalta, ja itse asiassa yhdestä suunnasta voi nähdä aukon taakse asti, koska valo ei kulje suoraan.

Linnunradan keskusta on vajaan 30 000 valovuoden päässä, joten tapahtumahorisontin koko taivaalla on vain asteen sadasmiljoonasosa. Vertailun vuoksi, saman kokoiselta näyttää atomi huoneen toisella puolella ja omena Kuussa. Tämän erottamiseen, vieläpä Linnunradan keskustan pölyn läpi, tarvittaisiin teleskooppi, jonka koko on mielikuvitukselliselta kuulostava 5 000 kilometriä. Event Horizon Telescope on tällainen teleskooppi.

Maapallon harmillisen pienen säteen takia yksittäistä noin isoa teleskooppia ei tietenkään voi Maan päälle rakentaa. Event Horizon Telescope kiertää ongelman yhdistelemällä eri puolilla Maapalloa sijaitsevia teleskooppeja, jotka katsovat kohdetta samaan aikaan, muodostaen yhden jättimäisen havaintolaitteen. Tässä on omat ongelmansa, kuten se, että havaintojen tekeminen on mahdollista vain silloin, kun kaikkien kahdeksan eri mantereilla sijaitsevan teleskoopin yllä on kirkas taivas. Teleskooppi sai kuitenkin viime vuonna kerättyä kahden yön verran havaintoja Linnunradan keskustasta ja toisen mokoman galaksin M87 ytimestä. M87 on 50 miljoonan valovuoden päässä meistä, tuhat kertaa kauempana kuin Linnunradan keskusta, mutta sen musta aukko on vastaavasti tuhat kertaa massiivisempi, joten se on taivaalla saman kokoinen.

Teleskooppien havaintojen yhdistäminen vaatii huolellista analyysiä, ja kuvien odotetaan olevan valmiita myöhemmin tänä vuonna. Galaksin M87  mustan aukon ympärillä pitäisi näkyä lähellä valonnopeutta kieppuva kiekko ainetta ja siitä syntyvä hiukkassuihku. Linnunradan musta aukko sen sijaan viettää hiljaiseloa ahmittuaan kaikki käsillä olevat kappaleet, joten tapahtumahorisontin tienoo voi erottua tarkemmin.

Mustat aukot tapahtumahorisontteineen ovat tulleet tunnetuksi elokuvasta Interstellar. Elokuvan yhteydessä hehkutettiin, että siinä on ensimmäinen realistinen simulaatio mustasta aukosta. Itse asiassa ensimmäiset kuvat mustista aukoista ainekiekkoineen laski ja toteutti Jean-Pierre Luminet vuonna 1978. Siitä tehtiin lyhyt video vuonna 1991, joka havainnollistaa sitä, miltä mustaan aukkoon putoaminen näyttää. Pian pääsemme vertaamaan näitä 40 vuoden takaisia kuvia havaintoihin tapahtumahorisontin liepeiltä.

12 kommenttia “Kohti viimeistä rajaa”

  1. Cargo sanoo:

    Olen aina ihmetellyt, että miten se aihe siellä mustan aukon sisällä pakkautuu. Jos alkeishiukkaset menevät tiiviiseen kasaan, niin silloinhan niiden paikan jakaumat lähestyvät nollaa ja Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan liikemäärän jakauma lähestyy ääretöntä, jolloin musta aukko ei liene ainakaan kvanttimekaniikan kannalta se kaikkein vakain tiivispakkaus. Mutta jos kvanttimekaniikka antaa periksi, niin lakkaako aine olemasta tavallista ainetta, johon kvanttimekaniikka pätee; kokeeko aine siis jonkinlaisen metamorfoosin mustan aukon sisällä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei tiedetä, mitä mustan aukon sisällä tapahtuu, varsinkaan lähellä keskustaa, missä yleinen suhteellisuusteoria ei varmasti päde.

      1. Eusa sanoo:

        Osuvasti kiteytetty.

        Vastaavasti näkökulmaa vaihtaen voimme todeta, ettei normalisoitu yleinen suhteellisuusteoria voi sisältää mustia aukkoja eikä varsinkaan sisältöistä singulariteettia. Schwarzschildin ratkaisu on siis hyvin todennäköisesti vailla kunnollista merkityksellistä pätevyysaluettaan.

        Onko muita laajasti omaksuttuja teoriatulkintoja, joissa teoria itse rajoittaa pätevyysaluettaan, eivät havainnot?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          En tiedä, mikä on ”normalisoitu yleinen suhteellisuusteoria”, mutta mustat aukot ovat sen pätevyysalueen rajojen sisällä, singulariteetit eivät. Schwarzschildin ratkaisulla on laaja pätevyysalue, se kuvaa esimerkiksi Maapallon aiheuttamaa aika-avaruuden kaarevuutta.

          On toki lukuisia teorioita, joiden pätevyysalue tiedetään rajalliseksi sisäisten teoreettisten ongelmien takia, esimerkiksi hiukkasfysiikan Standardimalli.

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Jos musta aukko kasvaa riittävän nopeasti, se myös säteilee eli ei olekaan täysin musta!

    https://newatlas.com/fastest-growing-black-hole/54612/

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tuossa on kysymys siitä merkinnässä mainitsemastani asiasta, että mustan aukon ympärillä oleva aine hohtaa, ei varsinaisesti musta aukko itse.

  3. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Kuinka monta mahdollista kohdetta EHT:n operaattorien listalla on ? (mainitsit kaksi)

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Vain nuo kaksi. Ne ovat ainoat tunnetut mustat aukot, joiden koko on tarpeeksi iso. (Linnunradassa on mustia aukkoja lähempänäkin kuin keskustassa, mutta ne ovat paljon pienempiä.)

  4. Jernau Gurgeh sanoo:

    Tervehdys, Syksy.

    Tämä ei liity merkintään, mutta on toive tulevaksi postaukseksi, jos et ole aiemmin kirjoittanut tästä. (Ja koet aiheen mielenkiintoiseksi.)

    Olet kirjoittanut paljon pimeästä energiasta ja aineesta, ja niiden yhteydessä jonkin verran myös TeVeSistä ja MONDista. En muista kuitenkaan, että olisit isommin mainostanut Erik Verlinden entrooppista gravitaatiota sekä emergenttiä gravitaatiota.

    Kysymys onkin, että kuinka sinä suhtaudut noihin Verlinden papereihin ja kuinka niihin yleisemminkin suhtaudutaan fyysikoiden keskuudessa.

    Jos niissä on jotain järkeä, niin olisi kiva lukea aiheesta kirjoituksesi.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En ole Verlinden entrooppiseen gravitaatioon tutustunut hänen ensimmäistä artikkeliaan pidemmälle, se ei houkuttanut seuraamaan pidemmälle.

      Yleisesti ottaen emergentti gravitaatio on mielenkiintoinen idea, jota olen vain sivunnut, https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/aika-avaruuden-atomit/ . Katsotaan palaanko siihen suoremmin vielä.

  5. Cargo sanoo:

    Tämä tulee vähän aloituksen sivusta, mutta kun katselin noita Verlinden ideoita, niin törmäsin seuraavaan videoon, jossa visualisoidaan hienosti mustaa aukkoa: https://www.youtube.com/watch?v=8ovRZuv5Lo8&feature=youtu.be&t=21m7s

    Tuossa selitetään kivasti, miksi mustaa aukkoa kiertävä aine muodostaa kuvion, joka on nähtävissä esim. Interstellar-elokuvassa, eli kyse on Einsteinin renkaasta, joka vääntää valon kulkua. Lisäksi matka mustan aukon tapahtumahorisontin sisään etäisyyden funktiona on mielenkiintoinen.

    Ja koska Verlinden puhuu informaatiosta Universumin peruspalikkana, niin tuli Dr. Räsäselle spekulatiivinen kysymys: Jos termodynamiikan 2. lain mukaan informaatiolla on taipumus levitä, ja toisaalta pistemäisen hiukkasen liiketilan informaatio sisältyy paikkaan ja liikemäärään, niin voisiko ”yhden hiukkasen systeemin” entropia selittää Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen ja edelleen kvanttimekaniikan? Jos siis informaatio hiukkasen paikasta tarkentuu, niin informaatio liikemäärästä tulee hajaantua, ettei systeemin entropia vähene. Tällöin esim. vetyatomin stationaariset tilat vastaisivat systeemiä kuvaavan informaation entropian ajasta riippumattomia tasapainotiloja.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Muistutettakoon, että tämä kommenttiosio ei ole paikka omien fysiikan ideoiden esittelemiseen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kuusikon uudet seikkailut

26.4.2018 klo 22.44, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pimeä aine on yksi kosmologian neljästä eturivin ongelmasta. (Muut ovat kosminen inflaatio, kiihtyvä laajeneminen –jonka takana on kenties pimeä energia– ja baryogeneesi.)

Vaikka pimeää ainetta voi vielä järkevästi epäillä, se on yksinkertaisin selitys monille havainnoille, ja on ennustanut paljon oikein. Niinpä pidetään luultavana, että pimeää ainetta on olemassa. Keskeinen kysymys on se, mistä pimeä aine tarkalleen koostuu.

Havaintojen perusteella pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat heikosti valon kanssa (eli ovat näkymättömiä), elävät kauan (selvästi maailmankaikkeuden ikää kauemmin) ja liikkuvat paljon valonnopeutta hitaammin. Lisäksi tiedetään, että pimeä aine on noin 80% maailmankaikkeuden ainesisällöstä, loput on tavallisia ytimiä ja elektroneja.

On olemassa satoja malleja sille, millaisista uusista hiukkasista on kyse: olen aiemmin kirjoittanut supersymmetrisistä partnereista, oikeakätisistä neutriinoista ja aksioneista. Eräs yksinkertaisuudessaan sykähdyttävä vaihtoehto on se, että pimeä aine rakentuisikin tunnetuista hiukkasista, nimittäin Standardimallin kvarkeista.

Tavallisen aineen atomiytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, jotka puolestaan muodostuvat up– ja down-kvarkeista. Koska pimeä aine ei havaintojen mukaan juuri vuorovaikuta valon kanssa, sen hiukkasilla ei voi olla sähkövarausta. Jos pimeän aineen hiukkanen olisi atomiydin, sen pitäisi kasautua kokonaan neutroneista. Tällaiset atomiytimet eivät kuitenkaan ole stabiileja: yksinäinen neutroni hajoaa 15 minuutissa, useampien kokoelma sekunnin murto-osassa.

Pitkäikäisyyttä on vaikeaa saavuttaa. Tyypillisesti hiukkaset ovat nimittäin epästabiileja: pitää olla jokin erityinen syy, joka estää hiukkasta hajoamasta.

Esimerkiksi elektroni on stabiili siksi, että se on kevyin hiukkanen, jolla on sähkövaraus. Koska energia ja sähkövaraus säilyvät, ei ole mitään mihin elektroni voisi hajota. Protoni puolestaan on stabiili, koska se on kevyin hiukkanen, jolla on baryoniluku. Baryoniluku laskee, kuinka monta kvarkkia miinus antikvarkkia on olemassa. Jokaisella kvarkilla on baryoniluku +1/3 ja antikvarkilla -1/3. Kuten sähkövaraus, baryoniluky säilyy: aina kun syntyy yksi kvarkki, pitää syntyä yksi antikvarkki. Protonissa ja neutronissa on molemmissa kolme kvarkkia, eli niiden baryoniluku on +1.

Yhdistelmähiukkaset voivat olla stabiileja, jos niiden osaset ovat niin niin tiukasti sitoutuneita, että kokonaisuuden massa on pienempi kuin mikä tahansa saman baryoniluvun ja sähkövarauksen omaavien kevyempien ytimien kokoelma. Esimerkiksi helium-4-ytimessä on kaksi protonia ja kaksi neutronia, jotka ovat niin vahvasti kytköksissä, että ytimen massa on pienempi kuin kahden erillisen protonin ja neutronin (tai kahden deuterium-ytimen, tai muiden mahdollisten yhdistelmien) yhteenlaskettu massa. Koska helium-4:n baryoniluku on +4, ei siis ole mitään mihin se voisi hajota: joko baryoniluku ei säilyisi tai energia ei säilyisi.

Vanhastaan tunnettuja kvarkeista koostuvia hiukkasia ovat baryonit (kuten protoni ja neutroni), joissa on kolme kvarkkia, ja mesonit, joissa on yksi kvarkki ja yksi antikvarkki. Hiljattain LHC:ssä ja muissa kiihdyttimissä on kuitenkin nähty tetrakvarkkeja, joissa on kaksi kvarkkia plus kaksi antikvarkkia, sekä pentakvarkkeja, joissa on neljä kvarkkia ja yksi antikvarkki. Ne ovat ainesosasiaan raskaampia ja siksi epästabiileja, mutta kuusi kvarkkia sisältävä heksakvarkki voisi olla tarpeeksi kevyt.

Stabiilin heksakvarkin rakentamiseksi pitää mennä up- ja down-kvarkkeja edemmäksi kalaan. Standardimallissa on myös kvarkit strange, charm, top ja bottom. Charm, top ja bottom ovat niin raskaita, että niistä ei ole toivoa pistää kasaan tarpeeksi kevyttä hiukkasta. Mutta kaksi uppia, kaksi downia ja kaksi strangea voisi olla voittorivi. Jos ne ovat tarrautuneet tarpeeksi tiukasti yhteen, yhdistelmän massa voisi laskea alle kahden neutronin (ja muiden mahdollisten hajoamistuotteiden) massan alle, kuten helium-4:n kohdalla. Tällainen hiukkanen olisi täysin stabiili. Kuuden kvarkin vuorovaikutuksia ei tunneta tarkkaan, mutta tämä on mahdollista.

Heksakvarkki olisi siis mahdollinen pimeän aineen kandidaatti, mutta mistä niitä syntyisi? Tämä on itse asiassa idean yksi etu: jos pimeä aine koostuu heksakvarkeista, niiden alkuperä on sama kuin kevyiden atomiydinten. Maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin tiimoilla aine on kuumaa keittoa, jossa on irrallisia protoneita, neutroneita ja muita kvarkeista koostuvia hiukkasia. Kun keitto on kuumaa, hiukkasia syntyy ja hajoaa jatkuvasti. Kun keitto jäähtyy, epästabiilit hiukkaset katoavat ja stabiilit jäävät jäljelle. Heksakvarkki voi syntyä muiden kvarkkeja sisältävien hiukkasten yhdistelmänä, kuten protonit ja neutronit. Ydinreaktioiden tarkempi syynääminen osoittaa, että heksakvarkkeja voi helposti syntyä oikea määrä.

Yhteinen alkuperä selittäisi kätevästi sen, miksi pimeää ainetta ja tavallista ainetta on suunnilleen yhtä paljon. Useimmissa pimeän aineen malleissa sillä ja tavallisella aineella ei ole mitään tekemistä keskenään, joten on outoa, että niitä on melkein saman verran.

Jos heksakvarkit ovat pimeää ainetta, miksi niitä ei ole havaittu? Pimeää ainetta on etsitty monin tavoin, mutta mitään ei ole näkynyt. Tyypilliset pimeän aineen mallit selittävät asian siten, että pimeän aineen ja tavallisen aineen välinen vuorovaikutus on hyvin heikko. Heksakvarkkien tapauksessa ratkaisu on päinvastainen. Ne vuorovaikuttavat niin voimakkaasti, etteivät eivät koskaan pääse detektoreihin, jotka ovat tyypillisesti syvällä maan alla, vaan törmäävät sen sijaan ilmakehään tai maan kamaraan.

Kaikki ei kuitenkaan mene nappiin. Koska heksakvarkin massa on pieni ja kvarkkien sidos tiukka, raskaammat ytimet voivat hajota heksakvarkiksi ja kevyemmäksi ytimeksi, kuten ne hajoavat helium-4:ksi ja kevyemmäksi ytimeksi. Tiukimmat rajat tälle antaa Kamiokan kaivoksessa oleva Super-Kamiokande-koe, joka vaanii hajoamissignaaleja pimeässä tankissa, jossa on 50 000 tonnia vettä. Mitään ylimääräistä ei ole nähty, mikä tarkoittanee sitä, että stabiileja heksakvarkkeja ei ole. (Hajoamisten todennäköisyys riippuu heksakvarkkien sisärakenteesta, mistä ei ole varmuutta, mutta sellaista rakennetta, joka pitäisi hajoamisen tarpeeksi harvinaisena, pidetään hyvin epätodennäköisenä.)

Vaikka heksakvarkkien tarinalla ei olisi onnellista loppua, se on opettavainen. On vaikea tietää etukäteen, mitä merkkejä pitää seurata ja mistä suunnasta ratkaisu löytyy. Se, että pimeää ainetta ja tavallista ainetta on suunnilleen yhtä paljon voi olla tärkeä vihje, joka viittaa niiden yhteiseen alkuperään – tai kummallinen sattuma. Heksakvarkkien kohdalla moni asiaa loksahtaa paikoilleen, kunnes vastaan tulee ydinten stabiilius. Tämä havainnollistaa, miten tärkeää on yhdistellä eri teorioita ja havaintoja, tässä tapauksessa ydinfysiikkaa, kosmologiaa ja lopulta Super-Kamiokande-koetta, joka etsi merkkiä hiukkasfysiikan yhtenäisteorioista ja löysi sen sijaan neutriinojen massat – molemmat asioita, joilla ei ole heksakvarkkien kanssa mitään tekemistä. Kokeista on usein hyötyä tutkimukselle, jota varten niitä ei ole suunniteltu, ja teoreettinen tuntemus valaisee joskus yllättäviä nurkkia.

22 kommenttia “Kuusikon uudet seikkailut”

  1. Eusa sanoo:

    Jos sinun tulisi löytää *psykologinen* selitys sille, että ihmiset mielellään teoretisoivat, että:
    a) on olemassa tapahtumahorisontteja ja madonreikiä
    b) lomittuminen kertoo ei-lokaaleista kytkennöistä
    c) pimeä aine koostuu hiukkasista, jotka laumailevat tavallisen aineen suhteen vakioisesti

    … niin mahtaisiko vastaus olla helposti vai vaikeasti keksittävä? Edellyttää vain hetkeksi totaalista uskomusviitan pudottamista.

    Ihmismieli toivoo aikamatkustusta tai teleportaatiota tai krijon uusia tutkittavia hiukkasia ja vähintäänkin ne mahdollistavien suhteellisuusteoreettisten sekä kvanttimekaanisten tulkintojen elossa pysymistä…

    Useimpien hypoteesien kohdalla tulee aika, jolloin havainnot lopulta kääntävät logiikan (ainakin jälkikäteen katsoen) ”tylsän” johtopäätöksen puolelle…

    Mutta ei puuduttava logiikkakaan estä uuden fysiikan löytymistä sitkeällä puurtamisella ja sitä kauttakin hankituin onnenpotkuin höystettynä. Siitä mm. P.A.M. Diracin elämä oli mainio esimerkki – hedelmiä poimitaan yhä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tähän on koottu aivan erilaisia asioita, enkä ymmärrä kohtia b ja c, joten tämä riittäköön tästä.

  2. Mika sanoo:

    Pimeää ainetta ja tavallista ainetta on suunnilleen yhtä paljon, mutta kuitenkin pimeä aine on noin 80% maailmankaikkeuden ainesisällöstä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Suunnilleen yhtä paljon, eli pimeää ainetta on vain 4-5 kertaa niin paljon kuin tavallista ainetta.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        ”Karkeella halolla” mitaten 🙂

  3. MrPressure sanoo:

    Sellainen mielikuva että olisin joskus lukenut hiukkaskiihdyttimessä hiukkasten laajenevan oliko se jopa kahdeksan kertaa normaalia isommiksi. Kirja liittyi muistaakseni jotenkin Einsteiniin. Onko huuhaata tuo?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hiukkaset eivät laajene kiihdyttimissä, ne sen sijaan Lorentz-kontraktion takia kutistuvat monta tuhatta kertaa ohuemmiksi menosuunnassa. Tämä on sen verta kaukana merkinnän aiheesta, että ei tästä sen enempää.

  4. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Hieman epäselväksi jäi että mikä on heksakvarkkiteorian osakkeiden arvo. Jos osakkeita on, niin kannattaako ostaa lisää, pitää ne jotka on, vai pyrkiä pääsemään eroon niistä ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Osakkeiden hintahan määräytyy siitä, minkä arvoisiksi suurin osa sijoittajista katsoo ne.

      Useimpien usko heksakvarkkeihin on ollut alhainen alusta asti (niitä on jo vuosia tutkittu. Nykyään kaiketi monet pitävät niiden osakkeita jokseenkin arvottomina. (Itse olen konservatiivisempi.)

  5. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: ”On vaikea tietää etukäteen, mitä merkkejä pitää seurata ja mistä suunnasta ratkaisu löytyy”.

    Yht ´äkkiä miettien löytyy liuta esimerkkejä: taustasäteily löytyi ”vahingossa”, tutkittiin aivan muuta. Planckin ”hullu” idea diskreettisyydestä kun oli ajauduttu umpikujaan. 1987A supernovasta löydettiin 19 varmaa neutrinoa, tutkittiin mahdollista protonin hajoamista, tuloksena neurinoastronomia. Kosmoksen kiihtyvä laajeneminen kun tutkittiin juuri päinvastaista. Pulsarien löytö. Ameriikan löytö. Hoylen hiililöytö. Tietysti tämä iänikuinen Newton ja omena tarina. Flemingin bakteeriviljelmät tuhoutuivat, tuloksena antibiootit. Galvanin sammakonkoivet. Kaksoiskierteen tai bentseenin ”unennäöt”. Rosettan kivi. Arkhimedes ja heureka. Röntgensäteet. Jne jne, soveltavassa materiaalifysiikassa iso liuta ”vahinkoja”.

  6. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”Kokeista on usein hyötyä tutkimukselle, jota varten niitä ei ole suunniteltu, ja teoreettinen tuntemus valaisee joskus yllättäviä nurkkia.”

    Vaihtaisin sanan ”usein” sanaan ”joskus”. Kokeita voi tehdä loputtomasti, jos niitä ei suunnitella huolella. Koetta suunniteltaessa on tekijöillä hypoteesi, jonka oikeellisuus kokeella tahdotaan selvittää. Jos koe antaa halutun tuloksen, niin hyvä, mutta jos ei, niin joko hypoteesi on väärä tai sitten itse kokeen järjestely on puutteellinen. Jos jälkimmäinen vaihtoehto on totta, kuten esim. Flemingin bakteeriviljelmien kanssa, niin oli onnenkantamoinen, että Fleming huomasi ihmetellä, miksi bakteerit kuolivat. Suurin osa puutteellisesti suunnitelluista kokeista ei anna mitään uutta tietoa vaan ovat pelkkää henkisten ja aineellisten resurssien tuhlausta. Hyvä esimerkki ovat pimeän aineen havaitsemiseksi tehdyt kokeet, joita tehdään, vaikkei tiedetä, onko pimeää ainetta edes olemassa. Samojen resurssien suuntaaminen johonkin muuhun kohteeseen olisi ehkä tuotos-panos-suhteeltaan parempi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pimeästä aineesta on paljon todistusaineistoa, ja se on paljon parempi selitys havainnoille kuin uudenlainen gravitaatiolaki (mikä on ainoa toinen vaihtoehto). Sitä voi kuitenkin vielä epäillä.

      Jos pimeän aineen olemassaolo tiedettäisiin varmasti, sitä ei tarvitsisi enää etsiä.

      1. Eusa sanoo:

        Miten tiedemies voi ajatella, että olisi olemassa vain ”ainoita vaihtoehtoja”?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Johdonmukaisesti.

          1. Eusa sanoo:

            Energiasisältö määrää yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaation. Olet siis sitä mieltä, että kaikki energia voidaan redusoida ainehiukkasiksi?

            Ovatko valo ja gravitaatiosäteily mielestäsi ainetta? Esim. peileillä loukutettu valo gravitoi peilikehän ulkopuolelle. Onko kyseessä aine vai jokin muu energia?

            Myös periaatteessa samasta teoriasta on eri tulkintoja. Onko arvokkaampi nykytulkinta YST:sta vai Einstein-Grossman tilanne 1913, jossa vielä haluttiin saada gravitaatiokentän energia osaksi kovarianttia esitystä, mutta josta luovuttiin oikaisten 1915 alkaen…?

            Suunnilleen kaikki ymmärtävät, että jollain tavalla gravitaatioteoriaa muunnettaneen ainakin niin, että kvanttimekaniikan perturbatiivisyys voisi olla sen kanssa yhteensopivampaa.

            Tiedemiehelle aine ja gravitaatiolaki eivät saisi olla ainoita vaihtoehtoja toisilleen laajassa kuvassa, mutta myös pimeän massan ongelmassa, kuten kaikissa tieteen ongelmissa, yllätysvaihtoehtoja mietitään. Mm. jokin pimeän sektorin muukin geometrinen mekanismi kuin aine tai gravitaatio”vuorovaikutus” on välillä ollut esillä.

            Ehdottomuus ei tieteenfilosofisteja miellyttäne, teologeja ehkä ennemminkin.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Yleisessä suhteellisuusteoriassa aineen ominaisuudet (erityisesti energiatiheys ja paine) vaikuttavat aika-avaruuden geometriaan. Aine sisältää tässä myös massattomat hiukkaset kuten fotonit.

          3. Eusa sanoo:

            Riemannin kaarevuusgeometrian einsteinilainen sovellus neliulotteiselle avaruusajalle on mielestäni oikeastaan enemmänkin itsestäänselvä kuvaus kuin teoria. On vaikea kuvitella gravitaatiolakia, joka ei noudattaisi paikallisesti tuota symmetriapeliä. Silloin tulisi tosiaan löytää tarve useammalle riippumattomalle vapausasteelle.

            Entäpä emergentti gravitaatio? Eikö se ole periaatteeltaan tukevasti yhteensopiva ainesisällön merkityksen kanssa?

            Kun aine käsitetään laajasti kuten esitit, enpä minäkään näe gravitaatiolle yleisen suhteellisuusteorian periaatteiden ulkopuolista lainalaisuutta mahdolliseksi – joitain tulkintamahdollisuuksiahan on ratkaisujen kelpoisuuksissa.

            Itse pidän erillään valonluontoisen ja massallisen energian; valonluontoinen on gravitaation muutossignalointia ja massallinen itse gravitaatiota.

  7. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Tiedemies ei poikkea mitenkään tavallisesta ihmisestä. Kaikkien ihmisten ajattelulle on tyypillistä paradigma eli yksi totuus ja sen korvaaminen uudella on hidas ja vaikea prosessi. Thomas Kuhn on kirjoittanut tästä aiheesta varsin ansiokkaasti. https://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Kuhn

  8. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Ja nynnyjen etsintä vaan jatkuu! https://phys.org/news/2018-05-world-sensitive-dark.html

  9. Lentotaidoton sanoo:

    Jos nuo ”nynnyt” eivät avautuneet, niin WIMP englanniksi tarkoittaa nynnyä, nössöä suomeksi 🙂

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Muotoja ilman mittanauhaa

16.4.2018 klo 23.02, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Aika-avaruuden kaarevuutta selittävän blogimerkinnän kommenteissa kysyttiin aika-avaruuden topologiasta, joten avaan tässä aihetta hieman.

Karkeasti sanottuna kappaleen (tai avaruuden) muodon sellaiset piirteet, jotka liittyvät etäisyyksiin, ovat geometrisia. Sellaiset piirteet, jotka pysyvät samana, kun etäisyyksiä muutetaan, ovat topologisia.

Esimerkiksi neliön ja ympyrän ero on geometrinen. Ympyrä on joukko pisteitä, jotka ovat kaikki yhtä kaukana keskipisteestä. Neliön tapauksessa pisteiden etäisyys keskipisteestä muuttuu sitä ympäri kuljettaessa. Etäisyyksiä venyttämällä ja kutistamalla saa ympyrän ja neliön muutettua toisikseen; asiaa voi havainnollistaa ajattelemalla ympyrän kaarta kuminauhana: etäisyyksien muuttaminen vastaa nauhan venyttämistä tai supistamista.

Mutta se, että nauha sulkee sisäänsä tasan yhden yhtenäisen alueen ei muutu, muuttipa etäisyyksiä miten hyvänsä. Ympyrän tämä ominaisuus on siis topologinen.

Ympyrä on yksiulotteinen kappale. Kosmologiassa keskeistä on se, millainen on maailmankaikkeutemme kolmiulotteisen avaruuden topologia.

Yleinen suhteellisuusteoria on teoria geometriasta. Se kertoo, miten aika-avaruuden kaarevuus (eli geometria) kehittyy, kun tiedetään, millaista ainetta aika-avaruus pitää sisällään. Sen sijaan yleinen suhteellisuusteoria ei ole teoria topologiasta: se ei kerro, millainen avaruuden topologia on. Mutta koska tietyn geometrian kanssa sopivat yhteen vain tietyt topologiat, yleinen suhteellisuusteoria rajoittaa sitä, millainen topologia voi olla.

Eri topologioita voi havainnollistaa yksinkertaisimman mahdollisen, eli tasaisen, geometrian tapauksessa. Tasaisen kaksiulotteisen pinnan topologia on sellainen, missä pinta ulottuu kaikissa suunnissa äärettömiin. Jos leikkaa pinnasta suikaleen ja määrää, että yhdestä reunasta ulos mentäessä tuleekin samasta kohtaa vastakkaiselta puolelta sisään, topologia on erilainen. Samaistamalla myös toiset reunat saa donitsin. On monimutkaisempiakin topologioita. Jos toiset reunat samaistaakin siten, että kun menee sisään reunan oikealta puolelta, tulee ulos vastakkaisen reunan vasemmalta puolelta, tuloksena on Kleinin pullo (jota on havainnollistettu täällä).

Isossa mittakaavassa maailmankaikkeutta usein kuvataan approksimaatiossa, jossa avaruus on samanlainen kaikissa paikoissa ja suunnissa. (Se, miten hyvä tämä approksimaatio on, on pitkään ollut eräs keskeinen tutkimuskohteeni.) Tässä tapauksessa on suoraviivaista luetella avaruuden mahdolliset geometriat ja kartoittaa, millaiset topologiat ovat mahdollisia. Kyse on siitä, miten avaruutta voi kääriä kasaan niin, että reunat kohtaavat sileästi.

Jos avaruus on samanlainen kaikkialla, sen kaarevuus on sama joka pisteessä. Jos kaarevuus on kaikkialla nolla, niin avaruus on tasainen. Tällainen maailmankaikkeus on tasainen pinta, joka ajan edetessä laajenee, eli aika-avaruus on kuin paperipino (jos yhden ulottuvuuden jättää pois).

Jos kaarevuus on kaikkialla positiivinen, niin avaruus on kolmiulotteinen pallopinta. On syytä korostaa, että kyse ei ole pallon sisuksesta, vain pinnasta. Kolmiulotteista pallopintaa voi olla vaikea hahmottaa, mutta se on samanlainen kuin kaksiulotteinenkin. Kolmiulotteisessa tapauksessa on yksi suunta lisää, mutta sekin kaartuu kaikkialla, ilman että mikään piste tai suunta olisi erikoisasemassa. Tällöin aika-avaruus on kuin kasa sisäkkäisiä pallopintoja (jos yhden ulottuvuuden jättää taas pois).

Jos kaarevuus on kaikkialla negatiivinen, niin avaruuden muotoa on hankalampia kuvitella. Tällaisella avaruudella on samanlainen suhde satulan muotoiseen pintaan kuin positiivisesti kaareutuneella avaruudella on pallopintaan. Siinä missä pallopinnalla kolmion kulmien summa on aina yli 180 astetta ja yhdensuuntaiset suorat lähentyvät toisiaan, satulapinnalla kolmion kulmien summa on aina alle 180 astetta ja yhdensuuntaiset suorat etääntyvät.

Tasaisessa tapauksessa avaruudella on 18 erilaista mahdollista topologiaa. Niistä kahdeksassa avaruus on ääretön. Tylsimmän äärettömän tapauksen lisäksi, missä ei tehdä mitään, on seitsemän vaihtoehtoa, missä avaruuden eri osia on samaistettu. Lopuissa kymmenessä avaruus on kääritty äärelliseksi, joko donitsiksi tai monimutkaisemmaksi paketiksi.

Pallopinnan tapauksessa tilanne on ratkaisevalla tavalla erilainen sikäli, että avaruus on aina äärellinen. Yksinkertaisin topologia vastaa pallopintaa, monimutkaisemmissa tapauksissa on samaistettu sen eri osia. Tämän voi tehdä äärettömän monella eri tavalla, ja ne kaikki tunnetaan.

Satulapinnan tapauksessa yksinkertaisin tilanne on sama kuin tasaisessa: avaruus jatkuu äärettömiin. Sen mahdolliset käärimiset ovat kuitenkin monimutkaisempia kuin tasaisen pinnan tapauksessa. Mahdollisia topologioita tunnetaan useita, mutta kaikkia mahdollisuuksia ei ole toistaiseksi osattu luetteloida.

Kosmologiassa avaruuden topologia kutkuttavasti liittyy kysymykseen siitä, onko maailmankaikkeus ääretön vai äärellinen. Jos avaruus on äärellinen, sillä on väistämättä jokin mielenkiintoinen topologia.

Asiaa voi selvittää havainnoilla. Ajatellaan tapausta, missä avaruus on tasainen mutta äärellinen, ja sillä on donitsin topologia. Kun lähettää matkaan valonsäteen, niin se kiertää avaruuden ympäri ja palaa jonkun ajan kuluttua takaisin vastakkaisesta suunnasta. Kosmologiset mittakaavat ovat liian isoja tällaisten kokeiden tekemiseen, mutta kaukaisten kohteiden tarkastelu ajaa saman asian. Kun galaksi lähettää valoa, meidän pitäisi donitsin tapauksessa nähdä sen kuva eri puolilla taivasta.

Käytännössä tällaisten havaintojen tekeminen on yksittäisen galaksin kohdalla vaikeaa, koska siitä tuleva valo on matkannut eri matkan eri suuntiin. Niinpä voisimme esimerkiksi nähdä galaksin yhdessä suunnassa sellaisena kuin se oli miljardi vuotta sitten ja toisessa sellaisena kuin se oli sata miljoonaa vuotta sitten. Koska galaksit kehittyvät, näitä voi olla vaikea tunnistaa samaksi kappaleeksi.

Lisäksi jos avaruuden topologia on donitsia monimutkaisempi, valo ei välttämättä palaa suoraan samaan pisteeseen, vaan voi kiertyä eri tavoilla. Tämä vaikeuttaa kuvien tunnistamista entisestään. (Oman hankaluutensa tuo myös se se, että maailmankaikkeus ei todellisuudessa ole täysin tasainen, eivätkä täysin tasaisten avaruuksien ja melkein tasaisten avaruuksien mahdolliset topologiat välttämättä ole samanlaisia.)

Tämän takia topologiaa ei käytännössä mitata tarkastelemalla yksittäisiä galakseja tai muita kappaleita, vaan syynäämällä taivaalla näkyvän valon tilastollista jakaumaa. Tarkin tutkailu tehdään galaksien sijaan kosmisen mikroaaltotaustan avulla.

Kosminen mikroaaltotausta on valoa, joka irtosi aineesta maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuotta vanha. Tämä tapahtui kaikkialla avaruudessa lähes yhtä aikaa, ja nyt kosminen mikroaaltotausta on pallopinta ympärillämme. Jos maailmankaikkeus on tarpeeksi pieni, kosmisen mikroaaltotaustan valo on ehtinyt matkata sen ympäri ja kohdannut itsensä. Asiaa voi havainnollista ajattelemalla, mahtuuko kosmisen mikroaaltotaustan pallo avaruuteen. Jos pallo menee avaruuden reunoista yli, se risteää itsensä kanssa, ja risteyskohdissa näkyy renkaita. Mitä pienempi avaruus on, sitä useammin mikroaaltotausta on ristennyt itsensä kanssa, ja sitä pienempiä ja enemmän renkaita siinä on.

Risteyskohtien tarkka muoto riippuu siitä, millainen avaruuden topologia tarkalleen on. Tällaisia taivaalla hohtavia renkaita ja monimutkaisempia jälkiä on etsitty, eikä mitään ole näkynyt. Koska kosmisen mikroaaltotaustan pallon säde on noin 50 miljardia valovuotta, voidaan päätellä, että jos maailmankaikkeus on äärellinen, sen koko on tätä isompi.

Havainnoissa ei siis ole mitään tukea sille, että maailmankaikkeus olisi äärellinen. Teoreettisesti aika-avaruutta ei vielä ymmärretä tarpeeksi hyvin, että osattaisiin sanoa, olisiko se äärellinen vai ääretön. Yleinen suhteellisuusteoria ei määrää topologiaa, mutta jotkut muut teoriat saattavat niin tehdä. Säieteorian joissain muotoiluissa on olemassa ylimääräisiä paikkaulottuvuuksia havaittujen kolmen lisäksi, ja ne ovat yleensä äärellisiä (ja hyvin pieniä). Jos näin on, tuntuisi luontevalta, että myös havaitut kolme ulottuvuutta ovat äärellisiä, vain paljon isompia. Säieteoria ei kuitenkaan kerro, että näin pitäisi olla, eikä edes tiedetä kuvaako säieteoria todellisuutta.

Vaikka maailmankaikkeus olisi äärellinen, kosmisen inflaation mukaan näemme luultavasti vain pienen osan siitä. Tässä tapauksessa topologian jäljet ovat heikkoja. Kääntäen voi sanoa, että jos näkisimme merkkejä avaruuden topologiasta, niillä voisi olla mullistava vaikutus käsitykseemme maailmankaikkeudesta.

Päivitys (17/04/18): Korjattu kolmien kulmien summa satulapinnalla.

17 kommenttia “Muotoja ilman mittanauhaa”

  1. Eusa sanoo:

    ”satulapinnalla kolmion kulmien summa on aina yli 180 astetta ja yhdensuuntaiset suorat etääntyvät.”

    Typo: summa on aina alle 180 astetta.

    Hyvin ja mielenkiintoisesti kuvailit aihetta.

    Mitä mieltä olet ajatuksesta, että meillä on vihjeitä (mm. metrinen kvantittuminen, mutta ajan kvantti on kiistanalainen), että kaikkeus olisi avaruudellisesti äärellinen, mutta ajallisesti ääretön? Siis minkään kappaleen koko (määriteltäköön kappale kuinka vain) ei voisi olla rajoittamattoman kokoinen, mutta voisi olla kappaleita, joiden ikä lähenee rajatta ääretöntä? Tämä dilemma on analogisesti sama kuin se voisimmeko nähdä samoista galakseista useita inkarnaatioita – jos massa/aika voi kaareuttaa aikaa etäisen havaitsijan koordinaateissa loputtomiin, voi olla asymptoottisesti ääretöntä ikää kuluttavia reittejä, mutta reitit ylläpidetään äärellisellä määrällä alkeishiukkasia. Tämä liittyy siihen topologian kahvallisuuteen ja kahvojen lukumäärään. Mustat aukot ja niiden topologia unohdettakoon kuitenkin tässä yhteydessä.

    Toisaalta mikä tahansa entiteetin aika olisi ylinumeroituva eli antaisi jatkuvalle geometrialle tilaisuuden – puolestaan lomittuneet ainerakenteet saattaisivat perustua etäisyyden diskreettiin pariteettiin perustuviin vuorovaikutuksiin.

    Ajatukseen kuuluu äärellisen hiukkaskahvaisuuden vuorovaikutuslogiikka niin, että luontomonisto tarvittaessa kohdaltaan kaareutuu/ikääntyy niin kovin, ettei mikään vuorovaikutusetäisyys voisi yltää kaikkeuden ympäri, ehkei edes sen puolivälimitan yli. Noin omega pakottautuisi tasan nollaan ja kaikkeuden topologia tasan laakeaksi. Kaksiulotteisista topologioista tosiaan torus ja Kleinin pullo ovat laakeita ilman kuspeja – kvanttilomittusen perusteella on esitetty arveluja, että 3-/4-d-kokonaistopologia voisi noudattaa mieluummin Kleinin pullon kuin toruksen topologista morfismia…

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos korjauksesta.

      Ken tietää. Kysymys ajan ja avaruuden äärellisyydestä tai äärettömyydestä on täysin avoin.

  2. Cargo sanoo:

    Mielenkiintoinen postaus. Tuli mieleen, että vaikka suhteellisuusteoria ei paljasta topologiaa, niin eikö luonnonlakien suhteellisuusperiaatetta voisi tässä kohtaa soveltaa ja vaatia kaarevuuden olevan kaikkialla samanlaista tyhjässä avaruudessa? Pallopinta lienee ainoa monisto, joka vääntyy jokaisen pisteen ympärillä samalla tavalla joka suuntaan. Kun lisätään massaa, niin kaarevuus muuttuu lokaalisti.

    Toisekseen: maailmankaikkeus voi olla ”ääretön”, jos avaruuden laajeneminen ymmärretään neliulotteisen pallon laajenemisena, kun säteen kasvunopeus on riittävän suuri. Eli maailmankaikkeus olisi topologisesti rajoitettu, mutta kolmiulotteisen pinnan laajenemisen vuoksi yksikään valonsäde ei pysty kiertämään koko pallopintaa ja palaamaan takaisin lähtöpisteeseenä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kuten tekstissä kirjoitan, on kolme avaruutta, joiden kaarevuus on vakio: tasainen, pallopinta ja satulapinta.

      Suhteellisuusperiaatteella ei ole avaruuden vakiokaarevuuden kanssa mitään tekemistä.

  3. Mika sanoo:

    Kiitos taas erittäin mielenkiintoisesta kirjoituksesta!

    Pitäisikö satulapinnan kohdalla lukea että kolmion kulmien summa on alle 180?

    Onko sinulla itselläsi suosikkitopologiaa tai veikkausta siitä, onko aika-avaruus äärellinen vai ääretön?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pitäisi, kiitos.

      Ei varsinaisesti. Asia määräytynee fysiikasta, joka on tuntemamme fysiikan ulkopuolella, eikä siitä ole tarpeeksi vihjeitä. Äärellinen avaruus olisi kenties miellyttävämpi.

  4. PekkaP sanoo:

    Ilmeisen tyhmä kysymys maallikolta.
    Jos maailmankaikkeuden ikä on n. 14 miljardia vuotta, miten maailmankaikkeus olisi voinut rajallisen kokoisesta alusta kasvaa rajallisessa ajassa äärettömäksi? Kysymys on vaivannut minua vuosia.
    Ymmärrän sen verran, ettei valonnopeus rajanopeutena koske avaruuden laajenemista, mutta Ojalan laskuopin hätäisesti sisäistäneenä näen tuossa jonkinmoisen ristiriidan.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yleisen suhteellisuusteorian mukaan jos maailmankaikkeus on nyt ääretön, se on aina ollut ääretön.

      Yleinen suhteellisuusteoria ei tosin päde lähellä alkua, joten emme tiedä mitä varhaisina hetkinä on tapahtunut.

  5. Alarik sanoo:

    Kiitos ymmärrykseni kasvattamisesta näillä aika-avaruuden geometriaa ja topologiaa käsittelevillä merkinnöilläsi. Tinkimättömät ja kumartelemattomat kirjoituksesi tarjoavat lähes poikkeuksetta päänvaivaa ja ihmeen sekä kauneuden tuntua – silloinkin, kun tunnen vain kevyen ilmavirran hilseeni tietämillä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, mukava kuulla.

  6. Cargo sanoo:

    Onko seuraava mielikuva avaruudesta neliulotteisen pallon pintana oikea, jos avaruus on tyhjä: mihin tahansa suuntaan lähetetty fotoni palaa lähtöpisteeseen vastakkaisesta suunnasta ja suunnasta riippumattomassa ajassa.

    Jos asiaa aprikoi vielä lisää, niin voisiko kosminen taustasäteily olla tuollaista neliulotteisen pallopinnan kiertänyttä säteilyä? Kun aallonpituuden jakauma on taustasäteilyssä tasainen, niin voisi olettaa, että säteet ovat kulkeneet saman matkan/ajan laajenevassa ja tasaisesti massaa sisältävässä avaruudessa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Avaruuden topologiaa ei tunneta. Jos avaruuden topologia on pallopinta, se ei ole neliulotteisen pallon pinta, vaan kolmiulotteinen pallopinta.

      Erosta, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/suoraviivaista/

      Mutta mielikuvasi on oikea.

      Kosmisen taustasäteilyn alkuperällä ei ole mitään tekemistä avaruuden topologian kanssa (vaikka topologia saattaakin jättää siihen jälkiä).

      1. Cargo sanoo:

        Olisiko se täysin mahdotonta, että kaikki muu säiteity on inteferoitunut olemattomiin paitsi poispäin lähtenyt säteily, joka palaa kosmisena taustasäteilynä?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kosmisen taustasäteilyn alkuperä tunnetaan hyvin, eikä tuolla ole mitään tekemistä sen kanssa.

          Ks. http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/ylos_tulenpyorteessa

          Tämä riittäköön tästä.

          1. Cargo sanoo:

            Tämä riittäköön tästä, mutta itse täytän vielä topallisen ja pössyttelen piippua nojatuolissa…

  7. Markus Sadeniemi sanoo:

    Äärettömään avaruuteen mahtuisi ääretön määrä massaa. Mutta joudutaanko tällöin gravitaation, säteilyn tms. kanssa vaikeuksiin? Siis onko äärettömässä avaruudessa kuitenkin äärellinen määrä ainetta?

    Jos satulapinnalle liimaa äärellisen määrän galaksinkuvia, niin ne mahtuvat äärellisen ympyrän sisään ja on mahdollista puhua avaruuden keskipisteestä vaikkapa painopisteen mielessä. Päteekö tämä myös kolmiulotteisen avaruuden tapauksessa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kosmologisissa malleissa, missä avaruus on ääretön, ainett on äärettömän paljon. Tässä ei ole mitään ongelmaa: aineen tiheys on äärellinen, eli jokaisessa äärellisessä alueessa sitä on äärellisesti.

      Satulapinta on vertaus. Kaksiulotteinen satulapinta, jonka kaarevuus on vakio, on siinä mielessä samanlainen kuin pallopinta tai tasainen pinta, että siinä ei ole mitään erityisiä pisteitä tai suuntia. Sama pätee kolmiulotteisessa tapauksessa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Fysiikka on vallankumouksellista

13.4.2018 klo 15.30, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Minua pyydettiin Ylelle kolumni fysiikan kouluopetuksesta. Tuloksena on tämä toimituksen otsikolla ”Opetetaanko koulussa fysiikkaa väärin? – Syksy Räsänen: “Opetuksen sisältö on enimmäkseen jäänyt 1800-luvulle”” varustama kirjoitus. Se päättyy näin:

Siinä missä luonnontieteen sovellukset avaavat pakoreitin ihmiskunnan painajaismaisesta historiasta ja muokkaavat inhimillistä kulttuuria yhä nopeammin, sen löydöt avaavat ainutlaatuisen näkymän todellisuuteen arkikokemuksen tuolle puolen.

Fysiikka ei vain tuota verrattomia teknologisen kehityksen ja yhteiskunnallisen muutoksen siemeniä, se on itsessään arvokas osa ihmiskunnan perintöä. Kertokaamme siitä sen mukaisesti.

15 kommenttia “Fysiikka on vallankumouksellista”

  1. Matti Ala-aho sanoo:

    Hyvä Syksy Räsänen

    Esität kritiikkiä fysiikan kouluopetuksesta. Olen opettajana lukiossa, enkä voi ymmärtää näkemyksiäsi fysiikan opetuksesta. Olen täysin eri mieltä. Väittely ei kuitenkaan johda mihinkään, joten ehdotan, että tuotat lukion fysiikan opetukseen jotain, jolla on merkitystä.

    Kritisoit, että opetus on jumittunut historiaan. Voisit ehkä kertoa, mitä on fysiikka, jota sinun mielestäsi tulisi oppilaille opettaa. Kursseja on seitsemän; kuusi tosi vanhaa fysiikkaa, ja seitsemäs 1900-luvun alusta.

    Kerrohan muutokset.

    Kerrot, että ”Avaruus kehittyy ajassa ja aika kulkee eri tavalla aineesta riippuen.” Olisin kiinnostunut kuulemaan, miten opetat lukiolaisille, tai kenelle tahansa, ajan kulkua ja sen riippuvuutta aineesta. Pitäisikö siitä osata jälkeenpäin jotain? Kerropa hyvä kysymys, jolla osaamista voisi mitata osaamista, vai onko se tarpeen?

    Missä on Räsänen (/ Enqvist) julistuksen tuottama oppimateriaali lukiolaisille?

    Tehkää jotain; me muut emme voi osata.

    (p.s. Kari Enqvist valitti samasta aiheesta 7v sitten. Toki kun vaan valittaa, ei tartte tehdä mitään)

    Matti

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Sitä mikä on modernissa fysiikassa mielestäni oleellista opetettavaa, ja miten sitä voi käydä läpi, voi katsoa esimerkiksi kurssini Fysiikkaa runoilijoille materiaalista. (Lukiokurssien rakenne on toki erilainen.)

      http://www.courses.physics.helsinki.fi/teor/run/

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        On myös syytä huomata, että en kirjoittanut oppimateriaalista, vaan opetussuunnitelmasta.

      2. Matti Ala-aho sanoo:

        Kiitos vastauksestasi. Luin luentodiat läpi, ja ne tarjoavat varmasti osaavan esittäjän myötä laajan kuvan siitä, mitä fysiikka on. Tämän tyyppinen johdattelu fysiikan merkitykseen sisältyy ymmärtääkseni opetussuunnitelmaan ”Opetus ohjaa opiskelijaa ymmärtämään fysiikan merkitystä jokapäiväisessä elämässä, ympäristössä, yhteiskunnassa ja teknologiassa”, (ops)

        Silti vaikkapa yleisen suhteellisuusteorian sisällyttäminen fysiikan keskeisiin sisältöihin ei mielestäni ole järkevä ratkaisu, eikä sille voi varata kovinkaan paljoa aikaa. Lukiossa aiheesta ei varmaankaan päästäisi lauseesta ”Jos olet painottomana hississä, mistä tiedät oletko avaruudessa vai onko vaijeri vain katkennut?” (Räsäsen luentomoniste) paljoa pidemmälle.

        Vaadit suhteellisuusteoriaa ja kvanttifysiikkaa kouluopetukseen. Tarkoitin kommentillani tekemättömyydestä täsmällisyyden puutetta. Vaatimusta ”suhteellisuusteoriaa koulufysiikkaan” voisi kenties täsmentää. Olisi hyvä kuulla miten monta tuntia/kurssia tälle varattaisiin aikaa. Käsittääkseni oma kurssisi sisältää 7x4h luentoja, mikä vastaa miltei yhtä lukiokurssia. Olisiko sisältöinä samankaltainen setti, mitä omissa luennoissasi? Mitä opiskelijan tulisi tämän opintojakson jälkeen osata?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kirjoitin Ylen tekstissäni seuraavasti:

          ”Opetushallituksen peruskoulun ja lukion opetussuunnitelmien mukaan fysiikan opetuksen yksi tavoite on auttaa ymmärtämään fysiikan merkitystä ”jokapäiväisessä elämässä, ympäristössä, yhteiskunnassa ja teknologiassa” niistä tehtyjen havaintojen pohjalta. Tämä on tärkeää, mutta asiassa on toinenkin puoli: moderni fysiikka on osoittanut, että arjen havaintojen perusteella muodostettu käsitys maailmasta on perustavanlaatuisesti virheellinen.

          […]

          Opetussuunnitelmassa mainitaan luonnontieteellisen ajattelun ja maailmankuvan kehittymisen tukeminen. Modernia fysiikkaa kuitenkin kohdellaan vain pienenä lisänä yli sata vuotta vanhaan tietoon. Tämä vaikeuttaa sekä fysiikan maailmasta paljastaman kuvan että nykyteknologian perustan ymmärtämistä.”

          En rupea blogin kommenteissa laatimaan opetussuunnitelmaa uusiksi, se vaatisi enemmän paneutumista.

    2. ro holopainen sanoo:

      Enqvistin olen kuullut puhuvan täydelle auditoriolle modernin fysiikan perusasioista – mielestäni elävästi, vertaillen. Uskoisin, että juuri sitä tasoa että nappaa lukiolaisella.
      Jos fysiikka on kouluopetuksessa jäänyt 1800-luvulle, on ymmärrys uskoinnoista yhä 1600-luvun kirkollisen dogmatismin vanki.
      Entä historia, uskonnon tavoin kiitettävä seisoi lukion päästötodistuksessa – mutta itse piti mm. arabismin vaikutus Euroopan valitukseen hakea lähteinen.
      Miksi?

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Kannattaa muistaa fysiikkaakin opetettaessa tämä Stanisław Lemin kuolematon aforismi:
    ”Monta asiaa olisin oppinut, ellei niitä olisi minulle opetettu.”
    Lisää aforismeja löytyy ao. linkistä:
    http://www.helsinki.fi/~aannila/arto/aforismeja.pdf

  3. Eusa sanoo:

    Uusien opetussuunnitelmien prinsiippeihin kuuluu ilmiöperusteinen oppimiskäsitys. Vaikka tuossa suunnitelmassa on pääosin kyse peruskoulusta ja siitä kuinka ilmiöiden kautta voidaan omaksua perustietoa nopemmin, kyllä sitä on tarkoitus lukioihin ja niiden syventävämpään sisältöönkin soveltaa.

    Esimerkiksi koordinaatistovalinnasta ja ekvivalenssiperiaatteesta voisi rakentaa ilmiöitä, joissa havaintoja esitetään vain vapaan putoamisen koordinaatistossa. Maanpinta käsitetään silloin samalla romahtavan ja samalla toisiaan puskevan aineksen tilalliseksi tasapainoksi. Koska romahtava aines on vapassa pudotuksessa, sen perusteella se ei koe voimia, mutta pusku on aineksen välinen vuorovaikutus ja jää todelliseksi fysikaaliseksi ilmiöksi – siis siksi sohvatyyny puskee juovat poskeesi päivätorkuilla ja heliumpallo pyrkii korkeuksiin; maanpinta ja ilmakehä itseiskiihtyy jatkuvasti ylöspäin…

  4. Kari Leppälä sanoo:

    Hei, olen pääosin samaa mieltä fysiikan opetuksesta, se vosi valmentaa paremmin modernin maailmankuvan omaksumisessa. Toki sillä varauksella, että fysiikka on rakentunutja rakentuu edelleen vanhan päälle. Minusta korjattavaa olisi myös tekniikan opetuksessa. Turhan vahvasti tekniikka esitetään fysiikan sovelluksena. Se on minusta kulttuurihistoriallisesti ja myös faktisesti epätarkaa. Tekniikka on minusta erillinen asia. Lämpöoppi ei tuottanut voimakoneita – mutta totta, auttoi myöhemmin ymmärtämään niitä. Fysiikka ei myöskään tuottanut hehkulamppua, joka on säteilylain sovellus. Sen sijaan lähes tyhjäksi pumpatuilla hehkulampun kuvuilla leikkiminen tuotti havaintoja, jotka luultavasti vaikuttivat kvantti-ilmiöiden tutkimukseen. Nämä on toki äärimmäisiä esimerkkejä, mutta ehkä havainnollisravat, että teknukan ja fysiikan vuorovaikutus on kaksisuuntainen tie. Tekniikan esittäminen fysiikan sovellukena tuotaa myös fyysikoille tarpeetomia ja vahingollisia paineita tuottaa hyödyllisiä sovelluksia. Lopuksi, haluaisin samaan opetuspakettiin myös filosofian. Nykyisin filosofian ajatellaan olevan jonkinlaista etiikan opetusta. Minusta turhaan, koska etiikka on joka tapaksessa ihmisyyden ytimessä. Minusta filosofia pitäisi ottaa mukaan, koska se voisi valottaa asioiden ymmärtämisen eri muotoja, oli se sitten fysiikkaa, luontoa ai jotain muuta.

    1. Kari Leppälä sanoo:

      Pahoittelen lukemattomia kirjoitusvirheitä, en malttanut laittaa lukulaseja päähän. Ja täsmennän, että en mitenkään kiistä, etteikö uusi fysiikka olisi myös vallankumouksellista- Sikäli kun yhtään ymmärrän, kyllä se on!

  5. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: ”Tämä on tärkeää, mutta asiassa on toinenkin puoli: moderni fysiikka on osoittanut, että arjen havaintojen perusteella muodostettu käsitys maailmasta on perustavanlaatuisesti virheellinen”.

    Syksy Räsänen iskee tässä tärkeään asiaan. ”Arjen havaintojen pohjalta” on esim mahdotonta mieltää valtavasti kasvaneen/kasvavan nykyteknologian jokapäiväisiä ”härpäkkeitä” (jotka perustuvat kvanttifysiikkaan) edes auttavasti. Minusta tämä on suuri aukko nimenomaan yleissivistyksessä. Kun moderni trendi on vain kasvava, niin olisi suuri vahinko, jos perusymmärrys näistä suodaan vain yliopistoissa fysiikkaa lukeneille.

  6. Cargo sanoo:

    Kyllä näin on marjat! Lukion fysiikan tunneilla tulisi käydä oppilaiden kanssa runolliseen sävyyn dialogia fysiikan luonteesta ja niistä ensimmäisistä periaatteista, joiden avulla kaikki havaitut asiat voidaan selittää. Myös jännittävät spekulatiiviset teoriat auttavat pitämään nykynuorison mielenkiintoa yllä eikä tyttöjäkään tulisi kiusata turhalla matematiikalla.

    Sitten ylppäreitten jälkeen nämä itseään totaalisen täynnä olevat wanna-be-einsteinit kokoontuvat laajan fysiikan luentosaliin opiskelemaan… Newtonin mekaniikkaa(?), Maxwellin yhtälöitä(?!), statistista termodynamiikkaa(?!!),…

    Ehkä joskus tulevaisuudessa saamme lukea kolumneja siitä, miten fysiikan yliopisto-opetuksen sisältö on jäänyt aivan liiaksi 1800-luvulle.

    1. Eusa sanoo:

      Kritiikkisi osuu. Opetettavien ilmiöiden tulee olla käsitettäviä. Tieteen filosofiaa tangentoi se mikä on antanut uusimmat toimivat teoriat: näkökulman vaihto.

      Modernissa fysiikassa on useita aiheita perehdyttää kuinka näkökulman vaihdos voi vaihtaa vallitsevaa paradigmaa. Nämä ilmiöt täytyy periaatteineen vain saattaa kouluttautujien tasolle – koordinaatiston vaihdon esimerkilläni tavoittelin näkökulman vaihdon konkretiaa kuinka esim. satelliittiradalla vapaasti putoava tarkkailija putoavassa koordinaatistossa kokee avaruuden kaarevoittavan suoraa liikerataansa suhteessa romahduskeskiöön…

    2. Eusa sanoo:

      Toinen esimerkki kvanttimekaniikan tai astrofysiikan piiristä olisivat tarkentuneiden havaintojen pakottamat näkökulman vaihdokset.

  7. Hannu Korhonen sanoo:

    Ylen sivuilla oleva juttu ”Opetetaanko fysiikkaa väärin” on tärkeä puheenvuoro. Se ansaitsee täyden huomion sekä opettajien että opetussuunnitelmien perusteita kirjoittavien piirissä. Lukion fysiikan suurimmat aukot ovat jo pitkään olleet modernin fysiikan kohdalla. Onneksi opettajalla on ollut pitkälle menevä pedagoginen vapaus. Suhteellisuusteorioita ja hiukkasfysiikkaa Cernin kiihdyttimet ja Feynmannin diagrammit mukaan luettuina on saanut opettaa modernin fysiikan kurssissa on edellistenkin opetussuunnitelmanperusteiden aikana, jos siihen ei ole kukaan ulkopuolinen puuttunut. Kaiken lisäksi nämä asiat kiinnostavat ja jopa innostavat opiskelijoita. Erityisen merkittävästä asiasta on kyse siksi, että siinä käsitellään maailmankuvaamme vaikuttavia asioita nykyisen ymmärryksen mukaan. Ottakaa viisaus varteen!

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *