Oleellisimpiin teorioihin

11.1.2021 klo 18.49, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Syksyllä luennoimani Ursan kurssi kosmologiasta osoittautui sen verta suosituksi, että siitä tulee maaliskuussa uusinta. Kurssi koostuu kolmesta luennosta, jotka pidetään kello 18.00-20.00 keskiviikkoina 17., 24. ja 31. maaliskuuta. Kurssi pidetään etänä. Luennoilla on aikaa kysymyksille. Ilmoittautua voi Ursan sivuilla (sikäli kun paikkoja on jäljellä). Kurssia kuvaillaan näin:

Verkkokurssi tarjoaa napakan katsauksen moderniin kosmologiaan, sen oleellisimpiin teorioihin sekä hieman myös kosmologian historiaan. Kurssilla käsitellään mm. maailmankaikkeuden historia, ison mittakaavan rakenteet, kosmisen mikroaaltotausta, pimeä aine, pimeä energia ja kosminen inflaatio.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Rehellinen elämä/An honest life

23.12.2020 klo 00.38, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

(This entry is in both Finnish and English. The English text is below the Finnish text.)

Huomasin juuri, että Jack Steinberger kuoli 12. päivä joulukuuta. Hän oli 99-vuotias. Tuntuu väärältä, että hänen kuolemansa oli jäänyt minulta huomaamatta.

Jack tiedetään parhaiten myonin neutriinon löytämisestä vuonna 1962 yhdessä Leon M. Ledermanin ja Melvin Schwartzin kanssa, mistä heille myönnettiin vuoden 1988 fysiikan Nobelin palkinto. Minulla oli ilo tuntea häntä hieman.

Jack syntyi Saksassa vuonna 1921. Jackin isä piti itseään uskollisena saksalaisena, joka oli ylpeä asepalveluksestaan ensimmäisessä maailmansodassa. Jack on kirjoittanut, että hänet kasvatettiin uskomaan, että saksalaisena hän on muita parempi, ahkerampi, rehellisempi ja rohkeampi. Hänen mukaansa juuri tämä ajattelu oli tausta sille, että saksalaiset seurasivat Hitleriä antisemitismiin ja kuolemaan.

Jackin perhe oli juutalainen, ja natsien noustessa valtaan vuonna 1933 hänen vanhempansa ymmärsivät ensimmäisten joukossa tilanteen vakavuuden. Vuonna 1934 he lähettivät Jackin isoveljensä kanssa Yhdysvaltoihin pakolaisina. Jackin ottoisä Yhdysvalloissa takasi vuonna 1938 sen, että Jackin vanhemmat ja nuorempi veli saattoivat tulla hänen perässään turvaan, sodan kynnyksellä.

Jackilla oli jo 14-vuotiaana vahvoja näkemyksiä, ja hän oli sitä mieltä, että rehellisen ihmisen pitää tehdä rehellistä työtä, eikä ottoisän toimintaa pörssimeklarina voinut sellaiseksi kutsua. Hän kirjoitti myöhemmin, että pysyi sosialistina koko ikänsä, mutta ei näe asioita niin mustavalkoisina. Hän totesi, että ei ole varma voiko sanoa, että hänen oma elämäntyönsä, missä hän seurasi nautintoaan oppimalla fysiikan laeista, oli mitenkään meklarointia ”rehellisempää”.

Jack kuului toisen maailmansodan aikana aloittaneeseen fyysikoiden sukupolveen. Hän osallistui Saksan kaupunkien pommituksessa käytettyjen pommitähtäinten kehittämiseen. Sodan jälkeen Jack oli Chicagon yliopistossa muun muassa Enrico Fermin oppilaana. Fermillä oli ollut keskeinen rooli Yhdysvaltojen ydinaseohjelmassa.

Jack halusi tutkia teoreettista fysiikkaa, mutta Fermi kehotti häntä tekemään mittauksia kosmisista säteistä. Tämä johtikin siihen, että Jack osoitti vuonna 1948, että hiukkanen nimeltä myoni ei hajoa kahdeksi hiukkaseksi, kuten oli ajateltu, vaan luultavasti kolmeksi, joista kaksi on neutriinoja. Tämä viitoitti tietä myöhempään myonin neutriinon löytämiseen.

Jack päätyi teoriapuolelle J. Robert Oppenheimerin johtamaan Princetonin yliopiston Institute for Advanced Studyyn. Hän koki olevansa muita huonompi, ja oli iloinen päästessään takaisin kokeellisen fysiikan pariin Berkeleyn Kalifornian yliopistossa. Siellä hän muun muassa löysi neutraalin pionin, joka on kvarkista ja antikvarkista koostuva hiukkanen, joka on tärkeä vahvassa vuorovaikutuksessa ja ydinfysiikassa.

Vuonna 1950 Jack joutui lähtemään Kalifornian yliopistosta, koska kieltäytyi allekirjoittamasta vasemmistolaisten poliittiseen vainoon liittyvää uskollisuudenvalaa. Omaelämänkerrassaan Learning About Particles: 50 Privileged Years Jack sanoo vähätellen päätöksensä olleen helppo, koska hänellä ei ollut Berkeleyssä pysyvää työpaikkaa.

Jack oli hiukkasfysiikan uusien kokeellisten menetelmien kehittämisen ja soveltamisen kärjessä, ja osallistui useisiin merkittäviin kokeisiin, joista Nobelilla tunnustettu vuoden 1962 myonin neutriinon löytäminen oli vain yksi.

Hiukkasfysiikka oli silloin erilaista. Erikoistuminen ei ollut edennyt yhtä pitkälle, ja kaikki saattoivat tehdä vähän kaikkea. Jackin mukaan 50-luvulla pystyi saamaan kahden kollegan kanssa kolme kiinnostavaa (ja, vaikka hän ei niin sanonut, historiallista) tulosta vuodessa, vaikka yksi idea menisikin pieleen. Nykyään kokeet kestävät vuosia: jos koe maksaa alle 100 miljoonaa euroa niin se on halpa, ja jos siinä on mukana alle 100 ihmistä niin se on pieni.

Myös suhde työturvallisuuteen oli erilainen. Jackin mukaan kukaan ei ollut vastuullinen, pätevä tai edes juuri ajatellut asiaa. Esimerkiksi nestemäistä happea saatettiin vain lastata takakonttiin ja lähteä ajamaan, ja hänellä itsellään oli ainakin neljä onnettomuutta palavien kaasujen kanssa. Asia otettiin vakavammin sen jälkeen, kun Massachusetts Institute of Technologyssä kuoli yksi ihminen nestemäiseen happeen liittyvässä onnettomuudessa.

Jack siirtyi CERNiin vuonna 1968 uuden detektoriteknologian perässä, ja osallistui siellä useiden kokeiden suunnitteluun ja toteuttamisen. Hiukkasfysiikan Standardimallin aikakausi oli alkamassa, ja muutaman vuoden kuluessa oli kasassa kaikki teoreettiset palaset, joita sitten yksi toisensa jälkeen CERNissä ja Fermilabissa löydettiin ja nobeleilla palkittiin. Viimeinen pala oli Higgsin hiukkanen, jonka havaitseminen vuonna 2012 päätti tämän kauden, jona ei vain varmistettu Standardimallin ennusteita vaan yritettiin nähdä sen tuolle puolen. Edellisessä onnistuttiin turhankin hyvin, toisessa koettiin pettymys.

Jack oli 70-vuotiaaksi asti ALEPH-koeryhmän puhemies ja osallistui detektorin suunnitteluun ja tulosten analysoimiseen. ALEPH oli yksi detektori vuonna 1989 käynnistyneessä LEP-kiihdyttimessä. LEPpiä varten sata metriä maan alle kaivetussa tunnelissa on nykyään LHC-kiihdytin.

Vuonna 1995 Jack jätti aktiivisen tutkimuksen, koska koki että hänellä ei ollut enää uusia ideoita annettavana. Hän kuitenkin jatkoi koeryhmien neuvonantajana yli 90-vuotiaaksi. Lopetettuaan hiukkasfysiikan tutkimuksen Jack rupesi opiskelemaan ja seuraamaan kosmologiaa ja astrofysiikkaa. Kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet oli mitattu vain kolmea vuotta aiemmin.

Tapasin Jackin vuonna 2004. Olin tutkijana Oxfordissa, ja juuri julkaissut ensimmäisen väittelyn jälkeisen tieteellisen artikkelini. Esitin siinä (en ensimmäisenä), että maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen voisi johtua rakenteiden muodostumisesta maailmankaikkeudessa. Kosmologi Dominik Schwarz kutsui minut CERNiin puhumaan aiheesta.

Jack, tuolloin 82-vuotias, osallistui tapansa mukaan seminaariin. Jack osasi esittää yksinkertaisia ja samalla asian ytimeen meneviä kysymyksiä aiheesta kuin aiheesta.

Jatkoimme puheeni jälkeen juttelua käytävällä, ja Jack ehdotti yksinkertaista lähestymistapaa sen hahmottamiseksi, miten rakenteet vaikuttavat keskimääräiseen laajenemiseen. Minulla oli joitakin ajan käsittelyyn yleisessä suhteellisuusteoriassa liittyviä vastalauseita, joihin Jack totesi vain, että ”minähän en tiedä mitä aika on, sinä tiedät”. Hän osasi olla sekä pistävän kriittinen että vilpittömän vaatimaton.

Kaksi vuotta myöhemmin päädyin omaa reittiäni kirjoittamaan artikkelin Jackin ehdottamasta ideasta. Se oli toinen läpimurtoni aiheen parissa, ja siinä asian fysikaalinen merkitys ja yhtälöiden sisältö matematiikan tuolta puolen selvisi minulle. Jos olisin heti seurannut Jackin ideaa, jonka hän lyhyessä keskustelussa yhden puheen jälkeen keksi, olisin voinut säästää vuoden.

Noihin aikoihin CERNin teoriayksikköön palkattiin yksi kosmologi vuodessa. Vuonna 2007 se olin minä, ja aloitin kaksivuotisen pestin. Jack piti minua kosmologian tietolähteenään, ja tuli ovelleni kysymysten kanssa.

Muistojeni mukaan Jack tuli kerran työhuoneelleni ja sanoi jotain sellaista kuin ”tässä on tutkijoiden ydinaseiden vastainen vetoomus, ja toivon että allekirjoitat sen”. Tällaisella esikuvalla on vaikutusta siihen, minkä näkee sopivana fyysikolle.

Jack oli yhä mukana seminaareissa, mutta nyt hänen kysymyksensä joskus osoittivat, että häneltä oli mennyt joku ilmeinen seikka ohi, eikä hän saanut siitä enää kiinni. Tämä ei ole nuorillekaan tavatonta, mutta Jack tunsi ajattelunsa tylsymisen, ja se turhautti häntä.

Tapasin Jackin viimeksi tammikuussa 2010, kun olin pari kuukautta CERNissä. Halusin ottaa hänestä kuvan hänen työhuoneellaan, ja Jack vaati, että olemme siinä yhdessä. Puhuimme rakenteiden vaikutuksesta maailmankaikkeuden laajenemiseen. Hän sanoi, että ongelma ei varmaankaan ratkea ennen hänen kuolemaansa. Olin yllättynyt enkä tiennyt mitä sanoa, joten kysähdin jotain sellaista kuin että eikö tuo ole aika surullinen ajattelutapa. Jack vastasi: ”Niin. On surullista vanheta ja on surullista kuolla.”

* * *

An honest life

I just noticed that Jack Steinberger died on December 12. He was 99 years old. It feels irrationally wrong that his death had passed me by.

Jack is most well known for the discovery of the muon neutrino in 1962 together with Leon M. Lederman and Melvin Schwartz, for which they received the physics Nobel prize in 1988. I had the pleasure of knowing him a little.

Jack was born in Germany in 1921. His father considered himself a loyal German, who was proud to have served in the First World War. Jack later wrote that he was brought up to believe that as a German he is better, more hardworking, more honest and more courageous than others. According to him, this thinking formed the background for why the Germans followed Hitler into antisemitism and death.

Jack’s family was Jewish, and after the Nazis rose to power in 1933 his parents were among the first to realise how grave the situation was. In 1934 they sent sent Jack and his older brother as refugees to the United States. Jack’s foster father in the US also gave a guarantee about Jack’s parents and younger brother, so that they were able to follow him there in 1938, on the eve of war.

Already at the age of 14 Jack had strong opinions, and he thought that an honest human should do honest work, and his foster father’s stock brokering did not qualify. He later wrote that he remained a socialist all his life, but doesn’t see things so black and white anymore. He said that he’s not sure whether he can say that his life’s work following the pleasure of learning laws of physics was in any way more “honest” than brokering stocks.

Jack was part of the generation who started physics during the Second World War. He took part in the development of bomb sights used in the bombing of German cities. After the war Jack studied at University of Chicago with Enrico Fermi among others. Fermi had had a central role in the US nuclear weapons program.

Jack wanted to do theoretical physics, but Fermi encouraged him to measure cosmic rays. This led to 1948 Jack showing experimentally that a particle called the myon doesn’t decay into two particles as thought, but probably into three, two of which are neutrinos. This paved the way to the later discovery of the muon neutrino.

Jack ended up working on theory at the Princeton Institute for Advanced Study led by J. Robert Oppenheimer. He felt that he did not measure up to the others, and was happy to get back to experimental physics at University of California Berkeley. There he, among other things, discovered the neutral pion, a particle composed of a quark and antiquark, which is important in the strong interaction and nuclear physics.

In 1950 Jack had to leave Berkeley, because he refused to sign a loyalty oath that was part of the political persecution of leftists. In his autobiography Learning About Particles: 50 Privileged Years Jack makes light of this, saying it was an easy decision because he didn’t have a permanent position at Berkeley.

Jack was at the forefront of developing and applying new experimental methods in particle physics. He took part in many important experiments, of which the 1962 discovery of the muon neutrino, for which the Nobel prize was awarded, was only one.

Particle physics was different back then. Specialisation had not advanced so far as today, and everyone could do a bit of everything. According to Jack, in the 1950s you could with two colleagues get three interesting (and although he did not say so, historical) results a year, even if one idea failed. Nowadays experiments take years: if they cost less than 100 million euros they are cheap, and if they involve less than 100 people they are small.

Approach to work safety was also different. Jack wrote that nobody was responsible, competent or even thought about the matter much. You could just put liquid hydrogen in the trunk of your car and start driving without further concern. Jack himself had at least four accidents with flammable gases. Things were taken more seriously after one person died of accident involving liquid hydrogen at MIT.

Jack moved to CERN in 1968 after new detector technology, and took part in the planning and execution of several experiments. The era of the Standard Model of particle physics was beginning, and in a few years all theoretical pieces had been put together, and were then discovered at CERN and Fermilad one by one, awarded with Nobels. The last piece was the Higgs particle, whose detection in 2012 capped this era. It involved not only verification of the predictions of the Standard Model, but the attempt to see beyond it. The former was an unqualified success, perhaps too much so, as the latter has been disappointment.

Until the age of 70 Jack was the spokesperson of the ALEPH experiment, and took part in the design of the detector and analysis of the results. ALEPH was a detector in the LEP collider, which started operation in 1989. The tunnel dug a hundred meters underground for LEP today houses the Large Hadron Collider.

In 1995 Jack left active research, because he felt he had no more ideas to give. He continued as an advisor to experimental groups into his nineties. After quitting particle physics research, Jack started studying and following cosmology and astrophysics. The anisotropies of the cosmic microwave background had been measured only three years earlier.

I met Jack in 2004. I was a postdoc at Oxford and had just published my first paper after my PhD. There I proposed (not as the first) that the accelerating expansion of the of the universe could be due to cosmological structure formation. The cosmologist Dominik Schwarz, then at CERN, invited me to come over and give a talk about it.

Jack, then 82, took part in the seminar, as usual. Jack knew how to make simple but penetrating questions on any topic.

After the talk we continued discussing in the corridor, and Jack proposed a simple approach to better figure out the effect of structures on the average expansion rate. I had some objections related to the treatment of time in general relativity, to which Jack simply replied “I don’t know what time is, you do”. He could be both stingingly critical and sincerely humble.

Two years later I ended up via my own route to write an article about the idea Jack had proposed. It was my second breakthrough in the topic, and there I realised the physical content the meaning of the equations beyond mathematics. If I had followed the idea Jack threw out in a short conversation after hearing one talk, it could have saved me a year.

In those days the CERN theory unit hired one cosmologist a year. In 2007 that was me, and I started a two-year postdoc there. Jack considered me his information source on cosmology, and came to my door with questions.

I recall that one day he came to my office and said something along the lines of “this is a scientists’ petition against nuclear weapons, and I hope you’ll sign it”. This sort of an example has an effect on what one sees as proper for physicists.

Jack continued to attend seminars, but now his questions sometimes showed that he had missed something obvious, and couldn’t catch it. This is not unknown to younger folk, but Jack felt the dulling of his thinking, and it frustrated him.

I met Jack the last time in January 2010, when I was spending two months at CERN. I wanted to take a photo of him at his office, and he insisted us being together in the photo. We talked about the effect of structures on the average expansion rate of the universe. He said that the problem probably won’t be solved before he is dead. I was struck by this, and mumbled something along the lines of that isn’t that a sad way to think. Jack answered: “Yes. It is sad to grow old and it is sad to die.”

4 kommenttia “Rehellinen elämä/An honest life”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Tästä tulee mieleen David Bohm, jolle Princeton tarjosi nokialaista (ei kännykkää vaan kenkää) kuten Berkeley Jack Steinbergerille. Ja molemmat olivat sukujuuriltaan juutalaisia, Molemmilla oli myös yhteys J. Robert Oppenheimeriin ja Enrico Fermiin. Toinen Fermin oppilas Bruno Pontecorvo, joka myös oli kiinnostunut neutriinoista, teki radikaalin ratkaisun ja loikkasi Helsingin kautta Neuvostoliittoon 2. syyskuuta1950.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Steinbergerin mukaan syy siihen, että hänelle ei tarjottu pysyvää työpaikkaa Berkeleystä oli se, että hän oli vasemmistolainen. Se, että hän oli juutalainen on sekin saattanut vaikuttaa asiaan. Steinberger kirjoittaa omaelämänkerrassaan siitä, että tuolloin Yhdysvalloissa juutalaisuus ei estänyt professoriksi etenemistä, mutta se oli haittatekijä.

      Steinbergeriä seitsemän vuotta nuorempi Noam Chomsky on todennut, että yksi syy MIT:n nousuun oli se, että siellä ei vältetty juutalaisten palkkaamista.

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Neutriinot ovat kiinnostavia, koska niitä muodostuu paljon, ne oskilloivat ja niitä on vaikea havaita. Iltalehdessä oli artikkeli, paljonko neutriinoja vapautuu, jos Betelgeuse räjähtäisi supernovana ja kuinka suuri määrä niistä päätyisi maapallolle ja ihmisiin.
    https://www.iltalehti.fi/ulkomaat/a/45c2824c-1cbf-41a5-8c59-987b73a691b9
    Neutriino on fermioni, jonka spin on ½ ja fotoni on bosoni, jonka spin on 1. Fermioni ja antifermioni voivat muodostaa bosonin, joten kaksi neutriinoa voisivat muuttua fotoniksi, koska neutriino ja antineutriino ovat sama hiukkanen.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hiukkasten muodostaminen siten, että hiukkaset sitoutuvat yhteen (kuten elektroni ja protoni muodostavat atomin) on eri asia kuin annihiloituminen, missä kaksi hiukkasta muuttuu toisiksi hiukkasiksi (kuten elektroni ja positroni kahdeksi fotoniksi).

      Kaksi neutriinoa ei voi annihiloitua yhdeksi fotoniksi, koska se rikkoisi energian säilymistä. Ei tästä sen enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Potkut ylöspäin

20.12.2020 klo 20.51, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minä ja yhteistyökumppanini Dani Figueroa, Sami Raatikainen ja Eemeli Tomberg julkistimme viikon alussa artikkelin siitä, miten mustia aukkoja tehdään.

Pari vuotta sitten minä ja Eemeli Tomberg tutkimme sitä mahdollisuutta, että pimeä aine koostuu höyrystyneiden mustien aukkojen jäänteistä, joiden massa on mikrogramman luokkaa. Nyt katselimme tavanomaisempia mustia aukkoja, joilla on massaa noin 10^(16) eli kymmenen miljoonaa miljardia kiloa, saman verran kuin kohtuullisella asteroidilla. Tällaiset mustat aukot olisivat atomin kokoisia.

Mustia aukkoja ehdotettiin pimeäksi aineeksi jo vuonna 1975. Sittemmin on esitetty monia ideoita siitä, miten niitä tuotettaisiin tarpeeksi. Tavallinen reitti tähdistä romahduksen kautta mustiksi aukoiksi ei käy, koska pimeää ainetta on olemassa ennen tähtien syttymistä ja sitä on paljon enemmän kuin tähtiä.

Mustaan aukkoon ei tarvita muuta kuin se, että pakataan massaa tarpeeksi tietyn säteen sisälle. Yksi lupaava mahdollisuus on se, että mustiksi aukoiksi romahtavat klimpit syntyvät samalla tavalla kuin maailmankaikkeuden kaikkien muidenkin rakenteiden–oikeiden asteroidien, planeettojen, tähtien, galaksien, galaksiryppäiden, ja niin edelleen– siemenet.

Kosminen inflaatio on paras selitys sille, miksi maailmankaikkeudessa on rakenteita, sen sijaan että kaikki olisi tasaista puuroa. Inflaation aikana jokin avaruuden täyttävä kenttä ajaa maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista. Inflaation edetessä kentän voimakkuus laskee, kunnes se ei enää lopulta pysty ylläpitämään inflaatiota.

Inflaation aikana kentän kvanttivärähtelyt –sattumanvaraiset kentän arvon muutokset– venyvät hiukkasfysiikan pituuksista kosmisiin mittoihin. Inflaation loppuessa ja laajenemisen hidastuessa kenttä hajoaa, ja kvanttivärähtelyistä tulee epätasaisuuksia tavallisessa aineessa. Kvanttivärähtelyt ovat sitä isompia, mitä hitaammin kentän arvo muuttuu.

Kenttä käyttäytyy kuin pallo, joka vierii mäkeä veden alla. Tässä vertauksessa mäen jyrkkyys vastaa kentän vuorovaikutusta: mitä vahvemmin kenttä vuorovaikuttaa, sitä nopeammin sen arvo laskee. Maailmankaikkeuden laajeneminen hidastaa kentän muutosta, kuten vesi pallon vierimistä. Isompi laajenemisnopeus vastaa tiheämpää nestettä. Kosmologit havainnollistavatkin kentän kehitystä liikkeeseen liittyvien mielikuvien avulla.

Mustien aukkojen aikaansaaminen vaatii isoja epätasaisuuksia, joten kentän pitää liikkua hyvin hitaasti. Erilaisia inflaatiomalleja, joissa on sopivan heikkoja vuorovaikutuksia, onkin ehdoteltu jo joitakin vuosia. Eemeli Tombergin kanssa esitimme syylliseksi Higgsin kenttää.

Nyt kiinnitimme huomiomme siihen, miten kvanttivärähtelyt vaikuttavat kentän vierimiseen mäkeä alas. Yleensä inflaatiossa kvanttivärähtelyt ovat niin pieniä, että niillä ei ole merkitystä liikkeen kannalta. Mutta tapauksissa, missä voi syntyä mustia aukkoja, kvanttivärähtelyjen pitää olla tavallista isompia, ja lisäksi kenttä liikkuu hyvin hitaasti. Niinpä kvanttivärähtelyt saattavat potkia kenttää alas rinnettä, niin että inflaatio tapahtuu nopeammin, tai ylös rinnettä, jolloin inflaatio kestää kauemmin.

Kvanttipotkujen vaikutusta inflaatiokentän liikkeeseen on tutkittu vuodesta 1986 alkaen. Me olimme ensimmäisiä, jotka ottivat johdonmukaisesti huomioon sen, että kenttä vaikuttaa kvanttivärähtelyihin, jotka vaikuttavat kenttään, mikä muuttaa kvanttivärähtelyitä. Aiemmin viimeinen osa ketjua oli jätetty pois, tai sitä oli käsitelty puutteellisesti.

Näitä toisiinsa kytkeytyneitä asioita ei voi laskea kynällä ja paperilla. Niinpä simuloimme inflaatiota tietokoneella 256 miljoonaa kertaa. Seurasimme yksityiskohtaisesti mitä tapahtuu sellaiselle avaruuden alueelle, joka on noin atomin kokoinen vähän inflaation jälkeen. Inflaatiomallimme oli säädetty tuottamaan tuohon mittakaavaan isoja epätasaisuuksia, ja pidimme kirjaa, kuinka usein alueessa on tarpeeksi massaa, että se romahtaa mustaksi aukoksi.

Tuloksena oli, että potkujen kanssa mustia aukkoja syntyy satatuhatta kertaa enemmän kuin ilman niitä. Kvanttivärähtelyt hidastavat kentän kehitystä potkiessaan sitä taaksepäin, mikä puolestaan kasvattaa kvanttivärähtelyitä.

Kuten valtaosa tieteellisistä artikkeleista, työmme on vain pieni askel. Inflaatio ja pimeä aine ovat laajoja tutkimusaiheita. Mustia aukkoja tuottava inflaatio on yksi mahdollisuus monien joukossa, ja tuloksemme edistää sen ymmärrystä hieman.

Muutaman sivun artikkelimme on maistiainen laajemmasta kokonaisuudesta, missä käsittelemme eri massaisia mustia aukkoja, selitämme pulmia ja käymme tarkemmin läpi siitä, miten kvanttivärähtelyjen muutos klassisen fysiikan lakeja noudattaviksi epätasaisuuksiksi liittyy touhuun. Tämä onkin hauska aihe.

14 kommenttia “Potkut ylöspäin”

  1. Cargo sanoo:

    Mutta eikö tuollainen kentän epätasaisuus voisi prosessin aikana synnyttää koko joukon tavallisia hiukkasia ja lennättää ne ympäristöön, jolloin mitään mustaa aukkoa ei ehtisi muodostua? Lisäksi, jos kvanttivärähtelyt ovat luonteeltaan satunnaisia, niin onko riittävän suurten värähtelyiden muodostuminen hyvin perusteltua? Taas toisaalta, estääkö jokin suoraan olettamasta, että heti alkuräjähdyksen jälkeen syntyisi niin korkeaenergeettisiä fotoneita, että ne romahtivat mustiksi aukoiksi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kentän epätasaisuudet muodostuvat inflaation aikana. Inflaation loputtua kenttä hajoaa tavallisiksi hiukkasiksi, jotka perivät sen epätasaisuudet. Kun on kulunut tarpeeksi aikaa, että ylitiheän alueen eri osat ehtivät liikkua toisiaan kohti, se romahtaa. (Aikaraja tulee siitä, että mitään ei liiku valoa nopeammin, ja maailmankaikkeuden ikä on äärellinen.)

      Romahduksen yhteydessä kaikki aine ei välttämättä päädy mustaan aukkoon, eli osa voi tosiaan lennähtää pois. Tämä ei kuitenkaan tee mustan aukon muodostumisesta mahdotonta, nostaa vain sen kynnystä.

      Artikkelin pääasiallinen sisältö oli juuri tuon värähtelyjen todennäköisyysjakauman muodon selvittäminen.

      Jos ennen inflaatiota on ollut mustia aukkoja, niiden lukumäärätiheys putoaa erittäin pieneksi inflaation aikana (niin että nyt näkemäämme maailmankaikkeuden osaan ei mahdu yhtään), joska avaruus laajenee niin paljon.

  2. Matti sanoo:

    Millä nopeudella tai missä ajassa tällaiset pienet mustat aukot häviävät hawkingsin säteilyn vaikutuksesta.
    Muistaakseni on joskus mainittu että tämän vuoksi pieniä (mikro)mustia aukkoja ei ole havaittu.
    Toki kysymys on mikä on ”pieni” musta aukko hawkingsin säteilyn kannalta tai sitten kuvaamasi skenaarion kannalta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hawkingin säteilystä tuleva alaraja massalle on 10^(-16) Auringon massaa, eli noin sadasosa tutkimiemme mustien aukkojen massasta. Rajalla olevien massojen tapauksessa ongelma on, että Hawkingin säteilyä pitäisi näkyä mutta sitä ei ole havaittu, pienemmillä se, että mustia aukkoja ei enää olisi.

      Jos massa on alle tonnin ja mustista aukoista jää jäljelle pieni nokare (kuten tutkimme edellisessä artikkelissamme), niin ongelmaa ei ole, koska ne höyrystyvät niin varhain, että säteilystä ei jää havaittavia jälkiä.

  3. Mikähän on näin syntyvien aukkojen pyörimismäärä (suhteesa teoreettiseen maksimiin). Jos se on pieni, ehkä silloin niiden muodostuessa ei syntynyt kertymäkiekkojakaan, ja ainetta ei lentänyt pois paljoa. Pohdiskelen että voisiko kertymäkiekkojan säteily ja poislentävä aine näkyä jonain seurauksina, tai kääntäen jos seuraukset ovat ei-haluttuja, voisiko niitä sulkea pois impulssimomentin kautta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Nämä mustat aukot eivät syntyessään juuri pyöri. Kun tällainen musta aukko muodostuu, niin siihen romahtaa melkein kaikki aine, joka on yhden Hubblen säteen sisällä, ja tällaisessa mittakaavassa pyöriminen on vähäistä.

      Nämä mustat aukot syntyvät varhaisina aikoina, kun aine on tiheää plasmaa, eli ympäristö on erilainen kuin nykyään. On eri näkemyksiä siitä, mikä on oikea tapa mallintaa tällaista romahdusta, ja se vaikuttaa siihen, kuinka korkea kynnys mustien aukkojen muodostumiseen on.

  4. Lentotaidoton sanoo:

    ”Pari vuotta sitten minä ja Eemeli Tomberg tutkimme sitä mahdollisuutta, että pimeä aine koostuu höyrystyneiden mustien aukkojen jäänteistä, joiden massa on mikrogramman luokkaa. Nyt katselimme tavanomaisempia mustia aukkoja, joilla on massaa noin 10^(16) eli kymmenen miljoonaa miljardia kiloa, saman verran kuin kohtuullisella asteroidilla. Tällaiset mustat aukot olisivat atomin kokoisia.”

    Tutkitte toisaalta mahdollisuutta mikrogramman aukkojen höyrystymisjäänteiden ja toisaalta noin asteroidin painoisten mutta atomin kokoisten aukkojen jäänteiden mahdollisuutta pimeäksi aineeksi.

    Olisivatko näiden erilaisten prosessien tuloksena syntyneet pimeän aineen hiukkaset samoja? Ja kumpi linja olisi teidän mukaan todennäköisempi – painavat WIMPIT vai kevyet axionit? Vai jotain vallan muuta? Eli ei ollenkaan hiukkasia? Mutta ilmeisesti koska tutkitte Higgsin osuutta inflatoniksi, niin sitten näiden pitäisi olla hiukkasia?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yhdessä tapauksessa pimeä aine koostuu mustista aukoista, toisessa mustien aukkojen jäänteistä. Ajatuksena on se, että pimeä aine ei koostu hiukkasista.

      Kummassakin tapauksessa inflaatiota ajava kenttä hajoaa ensin hiukkasiksi (jotka voivat olla mitä vain, sillä ei ole väliä). Siellä, missä hiukkasia on paljon keskivertoa enemmän niiden kasa sitten romahtaa mustaksi aukoksi. Se ajaako inflaatioa Higgs vai jokin muu kenttä ei sekään ole oleellista, kunhan se vain saadaan vierimään tarpeeksi hitaasti.

  5. Lentotaidoton sanoo:

    OK, ei hiukkasia.

    ”Tuloksena oli, että potkujen kanssa mustia aukkoja syntyy satatuhatta kertaa enemmän kuin ilman niitä. Kvanttivärähtelyt hidastavat kentän kehitystä potkiessaan sitä taaksepäin, mikä puolestaan kasvattaa kvanttivärähtelyitä.”

    Toinen kysymys: Mikä nimenomaan Higgsin kentässä (jota ehdotatte) on sellaista, että että se potkii taaksepäin tehokkaammin (eli vieriminen tarpeeksi hidasta) kuin jokin muu ehdotettu kenttä. Onko se syy Higgsin (epätavallinen) VEV?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Nokareiden tapauksessa käytimme hyväksi kvanttikorjauksia Higgsin vuorovaikutukseen itsensä kanssa. Top-kvarkki heikentää Higgsin vuorovaikutusta itsensä kanssa (kyse on siis prosesseista, missä Higgs hajoaa virtuaalisiksi top-kvarkeiksi ja sitten palautuu itsekseen), ja jos tätä säätää herkästi, niin saa potentiaaliin paikallisen kuopan, jonka yli kenttä juuri ja juuri pääsee vierimään. Ylös rinnettä tullessa kentän nopeus voi mennä miten pieneksi tahansa, joten kvanttivärähtelyistä saa hyvin isoja.

      Periaatteessa Standardimallin kaikki vuorovaikutukset tunnetaan, mutta kentän käytös inflaation aikana on niin herkkä matalaan energian (eli LHC:ssä käytetyn energian) arvoilla mitatuille hiukkasten massoille ja kytkennöille, että mittausvirheiden rajoissa voi saada hyvin erilaista käytöstä, ja lisäksi matalan energian ja inflaation välistä yhteyttä ei täysin tunneta, mikä antaa säätämisvaraa.

      Tässä uudessa artikkelissa käytettyä kenttää ei oikein voi sanoa Higgsiksi. Ensimmäisessä artikkelissa nimittäin osoitimme, että Higgsin tapauksessa mustien aukkojen massa ja kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ovat tiukasti kytköksissä: kun säätää Higgsin potentiaalia pienten mustien aukkojen tuottamiseksi, ei voi välttää sen muuttamista myöskin isommilla mittakaavoilla. Niinpä tässä artikkelissa otimme Higgsin potentiaalin ja säädimme sitä käsin sopivaksi.

      Se on siis esimerkki siitä millaista käytös on jos malli tuottaa sekä mustien aukkojen että muiden rakenteiden siemenet, ei hiukkasfysiikasta johdettu malli sellaiselle.

  6. Lentotaidoton sanoo:

    ”Periaatteessa Standardimallin kaikki vuorovaikutukset tunnetaan, mutta kentän käytös inflaation aikana on niin herkkä matalaan energian (eli LHC:ssä käytetyn energian) arvoilla mitatuille hiukkasten massoille ja kytkennöille, että mittausvirheiden rajoissa voi saada hyvin erilaista käytöstä, ja lisäksi matalan energian ja inflaation välistä yhteyttä ei täysin tunneta, mikä antaa säätämisvaraa.”

    OK, kiitos selvennyksestä. Eli kun data sekä Higgsin että top-kvarkin massoista (ja kytkennöistä) tulevaisuudessa parantuu, niin pelivara käsintehdylle veivaamiselle pienenee. Kun joskus (2027) saamme HL-LHC:n niin tämä(kin) hienosäätö paranee. Kö? Vai onko uutta odotettavissa jo ensi keväänä remontin jälkeen alkavissa ajoissa (run 3). Riittäkö tämäkään vai onko odotettava luminositeetin radikaaliin parantumiseen 2027?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tilanne on sikäli hassu, että top-kvarkin virherajan isoin osa on tällä hetkellä teoreettinen (kokeellinen 0.4 GeV, teoreettinen noin 0.5 GeV). Laskut ovat niin monimutkaisia, että mitatun suureen ja teoreettisen suureen yhdistämisessä kunnolla menee varmaan vielä vuosia.

      En itse asiassa tiedä HL-LHC:ltä odotettavia virherajoja Higgsin massalle, top-kvarkin massalle ja QCD:n kytkentävakiolle (nämä ovat kolme Higgsin käyttäytymisen korkeilla energioilla määräävää numeroa). Mutta koska Higgsin käytös inflaatioskaalalla on eksponentiaalisen herkkä mitatuille arvoille, tilanne ei ehkä juuri muutu siitä, että LHC ja HL-LHC pienetävät virherajoja.

      Lisäksi tässä touhussa suurempi ongelma on LHC:n mittaaman sähköheikon skaalan yhdistäminen inflaation skaalaan, koska teorian kvanttikorjaukset ovat (tai sanotaan että voivat olla) välissä sellaisia, mitä ei osata käsitellä, koska teoria on ei-renormalisoituva sen takia, miten Higgs kytkeytyy gravitaatioon.

  7. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Pimeän aineen hiukkasia (WIMPejä, axioneja ja ties mitä) on etsitty vuosikymmeniä tonnilla tankissa ja muilla ilmaisimilla, mutta turhaan. Nyt yllättäen pälähti sitten ajatus päähän, että jospa pimeä aine ei olekaan hiukkasia? Nyt olen huuli pyöreänä, että mitä pimeä aine sitten on? Oma käsitykseni on, että kaikki aine koostuu fotoneista.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kuten merkinnässä mainitaan, ajatus mustista aukoista pimeänä aineena on 45 vuotta vanha. Siis vanhempi kuin idea WIMPeistä tai aksioneista.

      Kaikki aine ei koostu fotoneista. Ei siitä sen enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Edistys ja rappio

30.11.2020 klo 17.24, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Luin filosofi Imre Lakatoksen kirjoituskokoelman The methodology of scientific research programmes. Vuonna 1974 kuollut Lakatos muistetaan erityisesti tieteen ja ei-tieteen eron selventämisestä.

Luonnontieteen kehityksen myötä muodostui haparoiden uudenlainen käsitys siitä, miten maailmasta voi saada tietoa havaintojen avulla. 1600-luvulla Francis Bacon esitti, että luonnonlait voi löytää vain merkitsemällä järjestelmällisesti muistiin kaikki oleelliset havainnot ja setvimällä miten ne liittyvät toisiinsa sen kummempia teoretisoimatta.

Oikeasti luonnonlakien löytäminen vaatii kaikenlaisia oletuksia. Tämä herättää kysymyksen siitä, mitkä oletukset kelpaavat ja mistä tietää luonnonlakien olevan oikeita. Eri oletukset eivät nimittäin johda vain erilaisiin vastauksiin, vaan myös eriäviin näkemyksiin siitä, mitkä ovat oleellisia kysymyksiä. Tähtitiede ei tarjoa vastauksia sellaisiin ihmiselämää koskeviin ongelmiin, mitä astrologia yrittää ratkoa. Voiko tästä päätellä, että tähtitiede on epäonnistunut?

1930-luvulla filosofi Karl Popper esitti, että vaikka havainnot (toisin kuin Bacon ajatteli) eivät riitä teorian rakentamiseen, ne riittävät sen tuhoamiseen. Popperin mukaan teoria on tieteellinen, jos se tekee ennusteita, joita voi testata, ja jos ennusteet eivät vastaa havaintoja, niin teoria pitää hylätä.

Nyt ongelmana ei ole se, että ei tiedettäisi mitkä lähtöoletukset kelpaavat: minkä tahansa teorian voi esittää, kunhan sitä koettaa havaintoja vasten. Mutta mitkä havainnot kelpaavat? On lähes aina havaintoja, jotka ovat ristiriidassa teorian kanssa. Fysiikassa onkin sellainen kansanviisaus, että jos teoria sopii kaikkiin havaintoihin, niin se on varmasti väärin, koska osa havainnoista on väärin.

Lakatos, joka kehitti ideoitaan Popperin vaikutuspiirissä, esitti kirjaan kootuissa teksteissään, että kysymyksen teorian tieteellisyydestä voi ratkaista vain tarkastelemalla sitä osana tutkimusohjelmaa. Lakatoksen mukaan tutkimusohjelmalla on ydin, jota ympäröi joukko apuoletuksia. Ydin on ohjelman perusta, jota ei voi muuttaa ilman että olisi kyse toisesta ohjelmasta. Mutta jos havainnot ovat ristiriidassa ennusteiden kanssa, apuoletuksia voi muuttaa ytimen suojaamiseksi.

Esimerkiksi Newtonin painovoimateorian ydin on se, että kaikki kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on verrannollinen niiden massaan ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyteen. Kun teoriaa sovelletaan liikkeisiin Aurinkokunnassa, mukana on sellaisia apuoletuksia kuin että Aurinkokunnan ulkopuoliset massat voi jättää huomiotta, että Aurinkokunnassa ei ole näkymättömiä massoja, ja niin edelleen.

Kun havainnot eivät vastaakaan teoriaa, ensimmäiseksi etsitään puutteita havainnoista ja laskuista, ja sitten muutetaan apuoletuksia.

Jos planeettojen radat eivät vastaa havaintoja, voi esittää, että on olemassa uusi planeetta, jonka gravitaatio selittää havaitut poikkeamat. Entä jos planeettaa ei löydy sieltä mistä pitäisi? Silloin voi taas muuttaa oletuksia, esimerkiksi pienentää planeettaa ja lisätä avuksi asteroideja. Jos niitäkään ei löydy, voi muuttaa oletuksia asteroidien kirkkaudesta, ja niin edelleen, kuten tehtiin 1800-luvulla Vulkanuksen pelastamiseksi ja Merkuriuksen radan poikkeavan kiertymisen selittämiseksi.

Oletuksia voi lisätä ja muutella periaatteessa loputtomiin, ja käytännössä niin tehdään, kunnes joku saa paremman idean (ja jotkut vielä sen jälkeenkin, kuten eetterin tapaus osoittaa). Mutta milloin touhu lakkaa olemasta tiedettä?

Lakatos jakoi tutkimusohjelmat edistyviin ja degeneroituviin. Tutkimusohjelma on edistyvä, jos uudet oletukset johtavat uusiin ennusteisiin, jotka havainnot varmentavat. Muutoin tutkimusohjelma on degeneroituva.

Edistyvää tutkimusohjelmaa voi pitää tieteellisempänä kuin degeneroituvaa tutkimusohjelmaa. Mutta ei ole yksiselitteistä rajaa sille, milloin degeneroituvan tutkimusohjelman jatkaminen ei ole enää tieteellistä. Voi olla kuiva kausi, jonka jälkeen tutkimusohjelma puhkeaa taas kukkaan. Esimerkiksi yleisen suhteellisuusteorian saralla ei juuri tehty oleellisia uusia havaintoja 1930- ja 50-lukujen välissä.

Tieteenhistoriassa –etenkin populaarissa– kiinnitetään usein huomiota keskeisiin kokeisiin, jotka määräävät tutkimusohjelmien kohtalon. Lakatos korosti sitä, että usein kokeet kuitenkin tunnistetaan ratkaiseviksi vasta sen jälkeen, kun uusi tutkimusohjelma on korvannut edeltäjänsä. Kuten vain havainnot voivat lopulta kertoa onko teoriasta mihinkään, vain teoria voi selvittää, mitkä havainnot ovat tärkeitä.

Esimerkiksi vuodesta 1859 asti tiedettiin, että havaittu Merkuriuksen radan kiertymä ei vastaa Newtonin teorian ennustetta, mutta tästä tuli historiallinen virstanpylväs vasta 1915, kun yleinen suhteellisuusteoria selitti kiertymän ja korvasi Newtonin teorian. Toisin kävi Pioneer-anomalialle: vuosikymmenten ajan havainnot luotainten Pioneer 10 ja 11 radoista poikkesivat yleisen suhteellisuusteorian ennusteista, kunnes ongelma ratkesi korjaamalla oletuksia luotainten lämpösäteilyn vaikutuksesta niiden liikkeeseen.

Monet fyysikot ovat sitä mieltä, että filosofiasta ei ole hyötyä tutkimuksen tekemisessä. Siitä voi kuitenkin olla apua sen päättämisessä, mitä fysiikan teorioita kannattaa tutkia. Esimerkiksi fyysikot ovat käyneet kiivaita väittelyitä säieteoriasta ja multiversumi-ideasta. Molempien hahmottaminen tutkimusohjelmina, ja niistä kumpuavien ideoiden tarkasteleminen tutkimusohjelman kehityksen kautta, voi auttaa niiden sijoittamisessa tieteen kentälle.

Ainakin se parantaisi suuren yleisön ymmärrystä tieteen tekemisestä ja sisällöstä. Valitettavasti tällainen tutkimusohjelmaan pohjaava kehystys on kiisteltyjen tiedeaiheiden kohdalla tiedotusvälineissä harvinaisempi kuin viitekehyksestä irrotetut yksittäisen artikkelin, idean tai kokeen sensaatiohakuiset esittelyt.

10 kommenttia “Edistys ja rappio”

  1. Erkki Tietäväinen sanoo:

    Blogin luettuani minulle tuli mieleen takavuosina kuulemani tarina neuvostoliittolaisen osto-organisaation edustajien osallistumisesta suomalaisen metsäkoneen työnäytökseen. Katseltuaan millintarkkaa toimintaa ja nopeasti kasvavaa määrämittaisten tukkien pinoa vieraat alottivat keskenään viittoilun ja pulinan. Aikansa keskusteltuaan delegaation johtaja esitti isännille kysymyksen: ”Vaikuttava esitys, mutta toimiiko kone myös teoriassa?”

    1. Erkki Kolehmainen sanoo:

      Neuvostoliiton punakone toimi ainakin jääkiekkokaukalossa hienosti, koska peliteoria oli heillä hyvin suunniteltu.

  2. Cargo sanoo:

    Osallistuin kerran filosofian seminaarille, jossa käsiteltiin ihmisen havaintomaailmaa ja pyöriteltiin sellaisia hienoja termejä, kuten ontologia, epistemologia ja modaalisuus. Luennon jälkeisessä keskustelussa en malttanut olla siteeraamatta Feynmania: ”Filosofia on yhtä hyödyllistä fysiikalle kuin ornitologia linnuille.” Paikalla olleilla filosofeilla meni vähän nokka solmuun, mutta pian taas palattiin kiertoradalle pohdiskelemaan inhimillisen tietämyksen metafysiikkaa.

    Miten muuten Karl Popper – tai Lakatos – suhtautui termodynamiikan toiseen lakiin? Kyseessähän ei ole mikään sellainen luonnonlaki, joka on absoluuttinen, vaan sellainen joka pätee melkein aina riittävän suurissa systeemeissä. Siinäpä hieno anomalia ja kauneusvirhe jäykkämielisten tieteenfilosofien ajatusrakennelmiin. Miksi muuten säieteoria olisi jokin tutkimusohjelma, jos se kerran on jo teoria? Lakatos varmaankin kysyisi, että mikä mahtaa olla säieteorian kova ydin.

    1. Erkki Kolehmainen sanoo:

      Kun katsoo sukupuuttoon kuolleiden lintujen luetteloa, niin ehkäpä ornitologiasta olisi ollut hyötyä jonkun lajin pelastamiseksi. Fyysikoilla on aika yleisesti ylimielinen asenne muihin tieteisiin, vaikka fyysikot eivät osaa selittää pimeää ainetta eikä energiaa eivätkä sovittaa yhteen kvantti- ja suhteelisuusteoriaa. Fyysikoiden olisi ehkä syytä joskus tarkastella omia ortodoksisia paradigmojaan filosofiselta kannalta.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Pimeälle aineelle ja pimeälle energialle on olemassa satoja malleja. Ensiksi mainittujen joukossa on paljon sellaisia, joissa ei ole mitään kummallista. Se, että pimeän aineen hiukkasta ei ole vielä löytynyt, eli ei tiedetä, mikä malli on oikea, on eri asia kuin se, että asiaa ei osattaisi selittää. Pimeä energia onkin tosiaan outo asia.

        Kvanttifysiikka ja suppea suhteellisuusteoria on yhdistetty kvanttikenttäteoriassa. Kvanttifysiikan yhdistäminen yleiseen suhteellisuusteoriaan on onnistunut paljon rajatummin, toistaiseksi vain inflaatiossa on tehty kvanttigravitaatioennustuksia joita on onnistuneesti testattu havainnoilla.

      2. Erkki Tietäväinen sanoo:

        Minusta näyttää vahvasti siltä, etteivät tutkijat pysty koskaan löytämään vastausta pimeän aineen ja energian arvoitukselle. Mutta niin kauan asia työllistää tuhansia fyysikoita, kunnes joku ”kerettiläinen” osoittaa, ettei kumpaakaan tarvita selittämään galaksien rakenteita eikä maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista.

        Tässä onkin taas hyvä tilaisuus esittää vanha mielipiteeni uudestaan: Sen sijaan, että fyysikoiden fiksuutta käytetään heidän itsensä uteliaisuutta kiihottavien, mutta vähemmän kiireellisten ikuisuusasioiden tutkimiseen, minä ohjaisin suuren osan heidän älyllisitsä ja taloudellisista resursseistaan maapallon ilmaston ja luonnon pelastamiseen. Se on sekä hyödyllistä että kiireellistä toimintaa.

        1. Eusa sanoo:

          Toinen näkökulma on se, että yrittäisimme saada selville luonnon periaatteista mahdollisimman paljon ennen sukupuuttoamme. 🙂

        2. Erkki Kolehmainen sanoo:

          Samalla tavalla tarvitaan valtava määrä pappeja, piispoja, imaameja, rabbeja, guruja jne. vakuutamaan ihmisille jumalan olevan olemassa. Ja koska tätä ei voida aukottomasti osoittaa vääräksi, niin uskontojen tuputtaminen jatkuu, Samalla ravalla minä ohjaisin suuren osan heidän älyllisistä ja taloudellisista resursseistaan maapallon ilmaston ja luonnon pelastamiseen, jotta yrittäisimme saada selville luonnon periaatteista mahdollisimman paljon ennen sukupuuttoamme!

  3. Mika Viljakainen sanoo:

    Lienee paikallaan olla nöyrä, mutta nyt akuutit ongelmat eivät ole niitä, joista muutaman sadan vuoden päästä mietimme. Jokainen sukupolvi kokee, että nyt on eletään historian merkittävintä aikaa, paitsi ehkä fyysikot 1900-luvun käänteessä, kun kuviteltiin, että kaikki keksimisen arvoinen olisi jo keksitty.

    Episteemistä syytä olla vielä kehittämättä mallia, joka vielä selittää nykyistä paremmin pimeää ainetta ja energiaa, ei ole olemassa. Jos vaikka matematiikassa ja jossakin filosofiassa on asioita, joita ei voida koskaan mallintaa nuts and bolts -tasolla.

    Tästä huolimatta, että osa fysiikasta onkin mennyt matematiikan puolelle. Näistäkin on vielä hyötyä. (Ainakin matematiikassa.)

  4. Teppo Mattsson sanoo:

    Kiitos kiinnostavasta kirjoituksesta. Jäsentää kauniisti tieteen isossa kuvassa hyödyllistä käsitteistöä.

    Kommentoin kohtaa, jossa kirjoitat että ”monet fyysikot ovat sitä mieltä, että filosofiasta ei ole hyötyä tutkimuksen tekemisessä.” En oleta olevani eri mieltä kanssasi, mutta korjaa toki jos olen väärässä.

    Filosofian hyöty riippuu siitä, mitä filosofialla tarkoitetaan. Puhutaan metafilosofiasta.

    Omassa kielipelissäni filosofia = kieli. Minun näkökulmasta matematiikkakin on kieli eli filosofiaa, eikä yksikään fyysikko varmaan kiellä matematiikan hyötyä tutkimuksen tekemisessä. Voidaan tietysti yrittää sopia, että suljetaan matematiikka filosofian ulkopuolelle eli puhutaan vain ns. luonnollisen kielen filosofiasta. Mutta rajanveto on ongelmallista, koska teoreettisen filosofian ammattilaisten kieli ja käsitteistö ei välttämättä tunnu muiden mielestä sen ”luonnollisemmalta” kuin matematiikka. Ja matematiikan tuloksiakin voidaan ilmaista luonnollisen kielen avulla – muuttuuko matematiikka filosofiaksi vasta siinä vaiheessa, kun symbolein kirjoitettu kaava luetaan sanallisesti?

    Kaikki tutkimukseen liittyvät ongelmat eivät ratkea pelkästään nyrkkien ja matematiikan avulla. Osa ongelmista ratkeaa puhumalla. Eli filosofian avulla.

    Ajattelen, että fyysikot tutkivat luontoa ja filosofit kieltä. Koska kieli on osa luontoa, filosofitkin voivat periaatteessa tutkia luontoa vähintään epäsuorasti. Mitä kukin käytännössä tutkii, on toki oma, tärkeä kysymyksensä.

    Minä olen siis ainakin esimerkki fyysikosta, jonka mielestä filosofiasta on hyötyä tutkimuksen tekemisessä. Varmasti yliopistossa tehdään paljon filosofian tutkimusta, josta ei ole fysiikan tutkimuksen kannalta hyötyä, mutta uskon että monimutkaisten käsitteiden mahdollisimman taloudellinen jäsentäminen hyödyttää suuren yleisön ymmärryksen lisääntymisen lisäksi myös tutkijoiden työtä ja keskinäistä kommunikaatiota.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kuhinan kartta

26.11.2020 klo 23.27, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Eilen Mairi Sakellariadou Lontoon King’s Collegesta puhui Helsingin kosmologiaseminaarisarjassa etänä gravitaatioaaltotaustasta.

LIGO/Virgo-laitteet ovat havainneet tusinoittain gravitaatioaaltoja. Viimevuotisen 26 viikkoa kestäneen kolmannen havaintokauden aikana ne näkivät 39 mahdollista signaalia, joissa lienee kyse mustien aukkojen ja/tai neutronitähtien parin törmäyksestä.

Yksittäisten kohteiden lähettämien aaltojen lisäksi on olemassa gravitaatioaaltotausta. Se on kohinaa, josta ei pysty erottamaan aaltojen lähdettä, ja joka voi häiritä muiden aaltojen havaitsemista. Mutta yhden kohina on toisen signaali: kaikki aallot kantavat jotain tietoa.

Kun Arno Penzias ja Robert Woodrow Wilson havaitsivat kosmisen mikroaaltotaustan vuonna 1964, se oli taustahäiriö. Kosminen mikroaaltotausta on peräisin elektronien ja valon viimeisestä kohtaamisesta ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli 380 000 vuotta vanha. Siitä on mahdotonta erottaa yksittäisen elektronin säteilyä, mutta tilastolliset piirteet –paljonko säteilyä tulee mistäkin suunnasta ja milläkin aallonpituudella– kertovat paljon. Myös gravitaatioaaltotausta on kiinnostava kohde.

Toistaiseksi LIGO ei ole ollut tarpeeksi herkkä kuullakseen gravitaatioaaltotaustan hälyä. Laitteita kuitenkin parannetaan joka havaintokauden välissä. Seuraavalla kaudella LIGOn ja seuraan liittyneen KAGRAn odotetaan olevan niin tarkkoja, että ne kuulevat jatkuvaa avaruuden kohinaa. Suurin ongelma on se, että laitteissa käytettävät magneetit reagoivat pieniin muutoksiin Maan magneettikentässä, ja tämän vaikutus pitää saada erotettua gravitaatioaalloista.

Gravitaatioaaltotausta on peräisin lähteistä, jotka ovat liian lukuisia ja heikkoja, jotta ne havaittaisiin yksinään. Se voidaan jakaa kahteen osaan.

Ensinnäkin on astrofysikaalinen (hienompi sana tähtitieteelle) gravitaatioaaltotausta, joka syntyy mustien aukkojen ja neutronitähtien pareista, jotka ovat niin heikkoja ja lukuisia, että niitä ei yksittäin havaita. Tämä tausta on varmasti olemassa: näitä pareja on nähty, ja heikkoja lähteitä lienee enemmän kuin vahvoja.

Toisekseen on kosminen gravitaatioaaltotausta. Sitä eivät ole synnyttäneet mitkään kappaleet, vaan hiukkasfysiikan kosmiset ilmentymät, kuten inflaatio, aineen olomuodon muutokset varhaisessa maailmankaikkeudessa, ja mahdollisesti kosmisten säikeiden silmukat, jos kosmisia säikeitä on olemassa.

Mustien aukkojen ja neutronitähtien pareista peräisin olevan kohinan voimakkuudesta voi päätellä, paljonko pareja on ja mitkä niiden massat ovat. Tai oikeammin sanottuna, jos tietää parien määrän ja massat, niin voi laskea kohinan voimakkuuden. Voimakkuus sen sijaan rajoittaa mahdollista massajakaumaa, ei täysin määrää sitä. Kosmisesta tapahtumasta peräisin olevan kohinan voimakkuus kertoo siihen liittyvästä hiukkasfysiikasta.

Kun kohinan voimakkuus on mitattu, seuraava vaihe on sen selvittäminen, millä painolla siinä on eri aallonpituuksia ja miten se vaihtelee eri suunnissa. Kosmisen mikroaaltotaustan tapauksessa kesti 28 vuotta edetä ensimmäisestä askeleesta toiseen. Penzias ja Wilson mittasivat vuonna 1964 vain tasaisen kohinan kapealla aallonpituusalueella. Vasta vuonna 1992 COBE-satelliitti sai mitattua kohinan voimakkuuden monella aallonpituudella ja sen epätasaisuuden taivaalla.

Gravitaatioaaltotaustan tapauksessa kohinan voimakkuuden riippuvuus aallonpituudesta kertoo, ovatko kyseessä mustien aukkojen pärskeet vai kosminen gravitaatioaaltotausta – ja jälkimmäisessä tapauksessa myös, mikä kosminen tapahtuma on kyseessä.

Nykyisillä laitteilla odotetaan saavan mitattua kohinan epätasaisuuksia, mutta tarkkuus on vain viidesosa COBEn kosmisen mikroaaltotaustan mittauksesta – mikä puolestaan on vain sadasosa parhaan koko taivaan mikroaaltokokeen, Planck-satelliitin, tarkkuudesta. Gravitaatioaaltotaivaasta saadaan vain hyvin karkea kartta. Myöskään voimakkuuden riippuvuutta aallonpituudesta ei saada mitattua tarpeeksi hyvin, että voitaisiin sanoa, onko kyseessä mustien aukkojen kohina vai jotain eksoottisempaa.

Nykyisten kokeiden kaavaillut maanpäälliset seuraajat Cosmic Explorer ja Einstein Telescope pystyisivät jo ensimmäisenä toimintavuonnaan erottamaan toisistaan tähtitieteellisen ja kosmisen kohinan – olettaen, että on olemassa tarpeeksi vahva kosminen gravitaatiotaaltotausta, ja se saadaan erotettua mustien aukkojen ja neutronitähtien aiheuttamasta taustasta. (Taivaallisista seuraajista täällä ja täällä.)

Viime viikolla ilmeni, että ilmeisesti pandemiaan liittyvien toimitusvaikeuksien takia LIGOn ja Virgon (sekä KAGRAn) neljännen havaintokauden alku on viivästynyt ainakin kesäkuuhun 2022. Ensimmäisiä karttoja avaruuden kuhinasta saadaan siis odottaa vielä muutama vuosi, joten tutkijoilla kuten Sakellariadoulla on aikaa tarkemmin laskea, millainen tausta tarkalleen on ja miten se saadaan suodatettua havainnoista.

9 kommenttia “Kuhinan kartta”

  1. Kari Leppälä sanoo:

    Hmm, kiinnostavaa. Onko niin että kosminen gravitaatiotausta on vielä päätelmien varassa, vai onko siitä mitään epäsuoria vihjeitä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei ole mitään vihjeitä havainnoista.

      Jos gravitaatioaaltotaustan ymmärtää vain joukoksi gravitaatioaaltoja, jotka ovat niin heikkoja ja lukuisia, että yksittäisiä kohteita ei voi erottaa, niin sellainen on varmasti olemassa, koska kaikki kappaleiden liikkeet saavat aikaan gravitaatioaaltoja.

      Jos vähän mielekkäämmin vaatii myös, että kohinan pitää olla tarpeeksi voimakasta, että sen voi mitata, niin on odotettavissa, että (kuten kirjoitinkin) mustien aukkojen ja neutronitähtien parien muodostamien aaltojen tausta on tarpeeksi vahva mitattavaksi.

      Kosmisen gravitaatioaaltokohinan voimakkuudesta ei sen sijaan ole mitään varmuutta. Inflaatio saa aikaan gravitaatioaaltotaustan, mutta sen voimakkuus vaihtelee valtavasti eri inflaatiomallien välillä.

  2. Eusa sanoo:

    Onko kukaan esittänyt konsistenttia hypoteesia kuinka gravitaatioaallot voisivat heijastua?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Gravitaatioaaltojen käyttäytyminen tunnetaan hyvin, ei tarvita hypoteeseja.

      Gravitaatioaallot vaikuttavat aineen kanssa niin heikosti, että ne eivät heijastu. Tarpeeksi vahvassa gravitaatiokentässä, hyvin lähellä mustaa aukkoa, ne voisivat kyllä kiertyä takaisin tulosuuntaansa, kuten valo.

      1. Eusa sanoo:

        Tarkoitin juurikin spekulointia vastaavalla heijastumisella kuin dipolinen sähkömagneettinen aalto heijastuu ainerakenteesta. Onko kvadrupolinen ”keikahdus” periaatteessa mahdoton vaikka aine olisi kuinka eksoottista? Vai voisiko fotosfääriä pitää gravitaatioaalloille viritystilana?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Ks. vastaus yllä.

  3. Martti V sanoo:

    Mielenkiintoista jos gravitaatioaaltotausta havaitaan. Tämä avaisi suoria havaintoja ajalta ennen mikroaaltotaustaa. Millä tapaa aaltoilun energiataso olisi laskenut ajan tai universumin tiheyden suhteen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mustien aukkojen ja neutronitähtien gravitaatioaaltotausta on syntynyt myöhemmin. Kosmisten säikeiden gravitaatioaaltotausta on sekin voinut osittain syntyä myöhemmin, mutta muut kosmiset lähteet ovat varhaisempia. Tämä on tosiaan yksi syy siihen, miksi se on mielenkiintoinen.

      Gravitaatioaaltojen energiatiheys laskee samalla tavalla kuin valon. Yksittäisen aallon energia laskee kuten 1/pituus, koska aalto venyy ja aallon energia on kääntäen verrannollinen aallonpituuten, kuten valolla. Toisaalta aaltojen määrä per tilavuus laskee kuten 1/pituus^3, koska tilavuus kasvaa. Eli kaikkiaan energiatiheys laskee kuten 1/pituus^4.

      Tämä siis olettaen, että uusia aaltoja ei synny. Jos kosmisia säikeitä on olemassa vielä myöhäisessä maailmankaikkeudessa, niin ne voivat synnyttää aaltoja jatkuvasti. Samoin mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäykset synnyttävät aaltoja koko ajan.

      1. Martti Viljainen sanoo:

        Kiitos, tämä selvensi. Toivotaan, että inflaation jälkeisiä maininkeja on havaittavissa kaiken muun sen jälkeisen kohinan seasta

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Viisareiden värähtelyä

30.10.2020 klo 21.34, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yhdysvaltalaisen NANOGrav-tutkimusryhmän jäsen Neil Cornish piti eilen etänä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarin NANOGravin tuoreista tuloksista, jotka saattavat vihjata gravitaatioaaltojen löytymiseen päin.

Kokeet LIGO ja Virgo näkevät nykyään gravitaatioaaltoja harva se viikko silloin kun ovat päällä, mutta NANOGravin tapauksessa on uutta sekä menetelmä että –jos on tosiaan löydetty gravitaatioaaltoja– aaltojen lähde.

NANOGrav tarkkailee pulsareita Linnunradassa. Pulsarit ovat neutronitähtiä (tai valkoisiksi kääpiöiksi kutsuttuja tiheitä tähtiä), jotka pyörivät hyvin nopeasti ja lähettävät sähkömagneettista säteilyä. NANOGravin seuraamat pulsarit viuhkivat akselinsa ympäri lähes tuhat kertaa sekunnissa: niiden pinta liikkuu lähellä valonnopeutta. Pulsari pursuttaa radioaaltoja kahteen suuntaan, jotka määräytyvät sen magneettikentästä. Niinpä pulsarin pyöriessä sen meille näkyvä signaali vilkkuu tiuhaan päälle ja pois (paitsi jos se ei koskaan osoita meihin päin).

Pulsarit ovat hyvin vakaita. Niinpä niitä voi käyttää tarkkoina kelloina: vajaa tuhat viisariniskua sekunnissa tekee vuodessa yli 10 miljardia lyöntiä. Olen jopa kuullut ehdotuksesta, että ajan yksikkö määriteltäisiin pulsarien avulla, mutta atomikellot taitavat kuitenkin olla luotettavampia.

Gravitaatioaallot havaittiin alun perin juuri pulsareiden avulla. Vuonna 1974 löydettiin ensimmäinen toisiaan kiertävän pulsarin pari. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, että pulsaripari ajautuu lähemmäs toisiaan, koska se menettää energiaa lähettämällä gravitaatioaaltoja. Signaalien muutoksesta saatiin tarkasti mitattua pulsarien liikkeet ja todettua, että ennuste pitää kutinsa. Tästä myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1993.

NANOGrav sen sijaan perustuu siihen, että meidän ja pulsarin välissä kulkevat gravitaatioaallot muuttavat pulsarin etäisyyttä meistä ja siksi sen radiosignaalien saapumisaikaa.

NANOGravin uudet tulokset perustuvat 12.5 vuoden havaintoihin 47 pulsarista väliltä 2004-2017. Havainnot osoittavat, että pulsarien kellonlyönnit muuttuvat välillä hitaammiksi ja sitten nopeammiksi jokusen vuoden jaksolla. Pulsarien signaali muuttuu yhteisellä tavalla, eli kyse ei voi olla muutoksista pulsareissa. Vaikutuksen koko on miljardisosan miljoonasosa, mikä tuntuu tavattoman pieneltä, mutta on silti miljoona kertaa isompi kuin LIGOn havaitsemien gravitaatioaaltojen korkeus.

Todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma, on noin 1:30 000. Hiukkasfysiikassa tämä ei riitä löytöön, vahvaan kiinnostukseen kylläkin. Mutta vaikka sattuman todennäköisyys olisi kuinka pieni, löytöä ei sovi julistaa ennen kuin kaksi ehtoa täyttyvät: systemaattiset virheet ymmärretään ja signaalilla on teoreettinen selitys.

Suunnilleen vuoden pituinen jakso on epäilyttävä, koska se on lähellä Maan kiertoaikaa Auringon ympäri, ja muutkin asiat Aurinkokunnassa kehittyvät suunnilleen samalla aikaskaalalla. Maapallon yläilmakehä ja Aurinkokunnan avaruussää (jota Helsingin yliopistossakin tutkitaan) muuttuvat ja vaikuttavat radioaaltojen kulkuun.

Analyysissä pitää myös tuntea Maapallon rata erittäin tarkasti, koska muutos signaalissa on hyvin pieni. On tärkeää, että epätarkkuus Jupiterin radassa on viime vuosina laskenut 50 kilometristä 10 kilometriin, ja Aurinkokunnan massakeskipisteen tunnetaan nyt 10 metrin tarkkuudella. Tähän on 1600-luvulta alkanut tarkka taivaan mallintaminen päässyt.

Tämä on esimerkki fysiikan eri alueiden yhteyksistä: kehitys yhdessä aiheessa voi mahdollistaa etenemisen aivan eri suunnassa. Avaruussäällä ja planeettojen radoilla ei ole gravitaatioaaltojen kanssa sinällään mitään tekemistä, mutta niiden ymmärtäminen on tärkeää niiden analysoimisessa.

Jos signaalin muutos liittyisi Maapallon liikkeisiin, niin havainnoissa näkyisi vaihtelu ei vain ajassa vaan myös paikassa: signaali olisi yhdessä suunnassa isompi ja toisessa pienempi sen mukaan, miten Maa kulkee. Havaintojen perusteella tämä vaihtoehto voidaan sulkea pois.

Myös gravitaatioaaltojen aiheuttama signaali riippuu suunnasta. Vesiaalto värähtelee ylös ja alas kohtisuoraan kulkusuuntaansa nähden. Samoin gravitaatioaalto värähtelee kohtisuoraan kulkusuuntaansa nähden. Mutta gravitaatioaalto ei värähtele vain yhdessä suunnassa, vaan tasossa, joka on kulkusuuntaan kohtisuorassa. Niinpä aallon kulkiessa Aurinkokunnan läpi pulsarien signaaleissa pitäisi näkyä teorian ennustama vaihtelu tasossa, joka riippuu aallon kulkusuunnasta.

Kuten NANOGrav-ryhmä korostaa, ennen tällaisen vaihtelun mittaamista ei voi väittää nähneensä gravitaatioaaltoja. Tästä on havainnoissa korkeintaan heikkoja merkkejä. Teoreettisesti odotettu vaihtelu on kuitenkin niin pieni, että sitä ei olisi voitukaan näistä havainnoista erottaa.

Kiinnostavin kysymys on se, että jos signaali on todellinen, niin mistä se on peräisin? Mikä tuottaa näin heikkoja aaltoja noin vuoden jaksolla?

Kärkiehdokas on kaksi jonkun galaksin keskustassa toistensa ympärillä pyörivää jättiläismäistä mustan aukkoa – sellaista, jonka Event Horizon Telescope kuvasi viime vuonna ja jollaisen löytämisestä Linnunradassa juuri myönnettiin Nobelin palkinto. Selityksen etuna on se, että tällaisia mustia aukkoja on todella olemassa, vaikka ei tiedetäkään kuinka usein ne pariutuvat.

Sopivia gravitaatioaaltoja voi syntyä myös kosmisessa inflaatiossa ensimmäisen sekunnin perukoilla, kvarkkien sitoutuessa hadroneiksi muutaman ensimmäisen mikrosekunnin aikana tai kosmisten säikeiden taitoksissa myöhäisempinä aikoina. Kaikki kolme jälkimmäistä vaihtoehtoa vaatisivat jotain uusia hiukkasfysiikan teorioita. Teoreetikoilla on niitä hyllyllä valmiina, ja kymmeniä uusia onkin jo esitetty.

Eri lähteiden synnyttämien gravitaatioaaltojen korkeus riippuu aallonpituudesta hieman eri tavalla, joten vaihtoehdot voidaan erottaa tarkemmilla havainnoilla – jos kyseessä on gravitaatioaallot.

Kun LIGOn herkkyys vuonna 2015 ylitti gravitaatioaaltojen havaitsemisen rajan, se keräsi sekunnissa tarpeeksi dataa löytöön. NANOGravin tapaus muistuttaa enemmän hiukkaskiihdyttimiä, missä näkyy ensin heikko signaali, joka tarkentuu, kun kerätään lisää dataa, ja lopulta joko osoittautuu olemattomaksi tai varmistuu.

Samanlaisia mittauksia ovat tehneet myös eurooppalainen ryhmä EPTA ja australialainen PPTA, ja kaikkien kolmen yhdistettyä dataa on jo alettu käydä läpi. Lisäksi NANOGrav parantaa analyysiään muun muassa tarkemmalla avaruussään mallintamisella, ja kerää lisää dataa.

Suurin merkitys on kuitenkin NANOGravin jo haavissa olevilla havainnoilla, joita ei ole vielä ehditty perata. Ryhmä analysoi par’aikaa vuoteen 2019 ulottuvaa 15 vuoden havaintoaineistoa, ja tuloksia sopii odottaa julki vuoden kuluttua. Tarkkuus kasvaa nopeasti lisädatan myötä, ja jos NANOGrav on nähnyt gravitaatioaaltoja, sillä on niistä tilastollisesti kiistaton todiste ensi vuonna.

11 kommenttia “Viisareiden värähtelyä”

  1. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: Todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma, on noin 1:30 000. Hiukkasfysiikassa tämä ei riitä löytöön, vahvaan kiinnostukseen kylläkin. Mutta vaikka sattuman todennäköisyys olisi kuinka pieni, löytöä ei sovi julistaa ennen kuin kaksi ehtoa täyttyvät: systemaattiset virheet ymmärretään ja signaalilla on teoreettinen selitys.

    Niin tosiaan ”löytöön” eli 5 sigmaan tarvitaan noin 1/3,5 miljoonan todennäköisyys olla vain kvanttikohinaa. Nyt ollaan tietysti kaukana siitä. Vallankaan kun ottaa huomioon nuo Räsäsen muut ehdot. Aika (eli lisädata) näyttää.

    Higgshän löydettiin 2012 5 sigmassa ja myöhemmin muistelen sigman nousseen jo 7:ään.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yleensä kyse ei ole kvanttikohinasta, vaan yleisesti tilastollisesta virheestä.

      Tuon hiukkasfysiikassa vuosikymmeniä sitten käyttöön otetun 5 sigman kriteerin soveltaminen nykyisiin kokeisiin on tosin jokseenkin mielivaltaista. Se on alun perin laskettu erilaisessa tilanteessa.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        Räsänen: Se on alun perin laskettu erilaisessa tilanteessa.

        Juu tietysti, mutta näyttipä olleen hyvinkin tärkeässä roolissa ainakin Higgsin tapauksessa (niinkin myöhään kuin 2012). Pidettiin tiukasti vaarin, että tuo saavutettiin – sekä CMS että ATLAS kumpikin pääsivät 5 sigmaan, mutta lisäkanava (tau) pudotti CMS:n 4,9:ään.

        No historiallisesti tuo oli ymmärrettävää, olihan kyseessä Standarditeorian viimeinen löytymätön ja erittäin tärkeä hiukkanen (ja oltiin varovaisia, muistissa oli OPERA-kokeen nolo moka). Ensi alkuunhan puhuttiin vain Higgsin kaltaisesta hiukkasesta, mutta sitten ajan kanssa alettiin puhua varmasta hiukkasesta (kun parillinen pariteetti ja 0-spin saatiin varmistettua).

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Joo, tuo Higgsinkaltainen hiukkanen oli ehkä jopa turhan varovainen muotoilu.

  2. Martti V sanoo:

    Hienoa, että on uusia menetelmiä gravitaatioaaltojen mittaamiseen. Toivottavasti systemaattiset virheet saadaan suljettua pois. Mielenkiintoisinta olisi, jos aallot paljastavat inflaatiosta uutta dataa.

  3. Eusa sanoo:

    Vaikka onkin kvadrupolista, eikö gravitaatioaallot taivu gravitaatiolinsseissä kuten valokin?

    Tuntuisi, että gravitaatioaalloilla on vähäisemmät vaatimukset linssin muodostaman reitin sileän loivasta lineaarisuhteiden säilyttämisestä eikä muutenkaan pölysumut häiritse.

    Voisiko jo todennettujen tapausten toistoja olla odotettavissa kuten supernovilla?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Gravitaatiolinssit vaikuttavat gravitaatioaaltojen kulkuun samalla tavalla kuten valon.

      En ole varma ymmärränkö kysymystä. Tarkoitat ilmeisesti vahvan gravitaatiolinssi-ilmiön aiheuttamaa aikaviivettä? Se on harvinainen ilmiö, eikä ole luultavaa, että tarpeeksi vahva linssi olisi sattunut meidän ja gravitaatioaaltojen lähteen väliin. Mahdollisuutta on kyllä tarkasteltu. (NANOGravin havaintoihinhan tämä ei liity, niissähän havaitaan radioaaltoja, ei suoraan gravitaatioaaltoja.)

  4. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: NANOGrav sen sijaan perustuu siihen, että meidän ja pulsarin välissä kulkevat gravitaatioaallot muuttavat pulsarin etäisyyttä meistä ja siksi sen radiosignaalien saapumisaikaa.

    Meinasi itsellä mennä jossain lukuvaiheessa aina sekaisin gravitaatioaallot ja radiosignaalit. Mutta jos olen mieltänyt oikein niin meidän ja pulsarin välimatka olisi/vastaisi ikäänkuin h***vetin pitkää tyhjiöputkea LIGOssa, jossa laser interferenssiä mitataan; kun taas NANOGravissa mitataan gravitaatioaaltojen muuttamaa etäisyyttä (radiosignaalien saapumisaikaa) meidän ja pulsarin välillä (ja näistä saapumisajoista vedetään johtopäätöksiä). Osuiko sinne päinkään?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Juurikin. Tämän olisin voinut kyllä selittää selvemminkin.

      LIGO mittaa valon kulkua tunnelissa. Läpi menevä gravitaatioaalto muuttaa valosignaalien saapumisaikaa, koska se muuttaa putken pituutta.

      NANOGrav mittaa radioaaltojen kulkua avaruudessa. Läpi menevä gravitaatioaalto muuttaa radioaaltojen saapumisaikaa, koska se muuttaa välissä olevan avaruuden osuuden pituutta.

  5. Teppo Mattsson sanoo:

    Kirjoitat, että ”Todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma, on noin 1:30 000”.

    Miten sattuman todennäköisyys on tässä laskettu?

    Yleensä pystytään laskemaan vain todennäköisyys saada vähintään havaitun vahvuinen signaali *olettaen*, että se on sattumaa (eli kohinaa), eli ehdollinen todennäköisyys P(signaali | sattuma), joka ei ole ”todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma” eli P(sattuma | signaali), koska ehdollinen todennäköisyys ei ole vaihdannainen: P(signaali | sattuma) ≠ P(sattuma | signaali).

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jos oletetaan, että signaalia ei ole, voi laskea kuinka usein sattumalta tulee samanlainen signaali.

      En ole varma, mikä menettely on tuon luvun 1:30 000 taustalla (Neil Cornish mainitse sen puheessaan), julkaisussa on luku 1:65 000 menettelylle, missä verrataan bayesiläistä ehdollista todennäköisyyttä tapauksessa A, missä on signaali ja tapauksessa B, missä on vain kohinaa. Signaalin todennäköisyys on 65 000 kertaa isompi.

      Tarkemmin artikkelissa: https://arxiv.org/abs/2009.04496

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kosmologia ja ihmiskunta

26.10.2020 klo 14.24, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Perjantaina 30.10. kello 15 puhun etänä kosmologiasta Helsingin yliopiston tiedekasvatuksen luentosarjassa. Luennot on suunnattu lukiolaisille. Opettajat voivat tiedustella osallistumiseen vaadittavaa salasanaa ja osallistumisohjeita tiedeluentojen koordinaattorilta osoitteesta iiris.lukkarinen@helsinki.fi. Luennon nauhoitus on vapaasti katsottavissa täällä.

Perjantaina 13.11. kello 18 puhun Maunula-talolla otsikolla Ihmiskunnan historia ajalta ennen Maapalloa. Edellisenä päivänä astrobiologi Kirsi Lehto puhuu kello 18 siitä, miten maailma on kehittynyt nykyiselleen. Molempina päivinä ennen luentoa kello 12-18 ambientklubi Lovin DJ:t soittavat musiikkia Maunula-talon aulassa. Koko tiedeviikonlopun ohjelma on täällä. Esitykseni nauhoitus on vapaasti katsottavissa täällä.

Päivitys (28/10/2020): Korjattu Maunulan puheen päivämäärä.

Päivitys (05/11/20): Lisätty linkki tiedekasvatusluennon nauhoitukseen.

Päivitys (14/11/20): Lisätty linkki Maunula-talon esityksen nauhoitukseen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kenties suurin mysteeri

19.10.2020 klo 14.07, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehden Rihveli numerosta 2/2020 voi lukea kirjoitukseni Kenties suurin mysteeri pimeästä energiasta. Se alkaa näin:

”Maailmankaikkeuden laajeneminen on yksi kosmologian tärkeimpiä tutkimuskohteita, ja se on mullistanut ajattelua halki viime vuosisadan. Vuonna 1924 huomattiin, että Linnunrata onkin vain yksi galaksi lukemattomien joukossa. Sitä ennen luultiin, että Linnunradan ulkopuolella on vain tyhjää avaruutta. Tämä oli iso siirtymä: Nikolaus Kopernikus oli siirtänyt Maapallon pois Aurinkokunnan keskustasta, sitten ymmärrettiin tähtien olevan toisia aurinkoja, ja lopulta kotigalaksimmekin osoittautui vain yhdeksi kosmisen pölyn hiukkaseksi.”

Samassa numerossa on Kaisa Kankaan artikkeli Matematiikan rajoilla logiikasta ja todistamisesta.

7 kommenttia “Kenties suurin mysteeri”

  1. Eusa sanoo:

    Mitäpä sanot tämän päiväisestä uutisoinnista, että aurinkokunnan ulkopuolisen avaruuden hidashiukkastiheys on yli kolminkertainen konsensusmalliin verraten?

    Riittäisikö tuollainen anomalia antamaan vettä pimeän aineen etsijoiden, pimeän (poukkoilu-)energian selvittäjien, lyhyempiä etäisyyksiä mallintavien tai jopa punasiirtymän massa-aalloilla väsymiseen uskovien myllyihin?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mihin uutiseen viittaat?

      1. Eusa sanoo:

        https://www.sciencealert.com/for-some-reason-the-density-of-space-is-higher-just-outside-the-solar-system

        Tämä on vasta lähiseutua, mutta viittaa siihen, että Maasta käsin on varsin vaikeaa päätellä havainnoista ulkoavaruuden hiukkastiheyttä kertaluokkatarkkuudellakaan.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Näillä havainnoilla ei ole mitään tekemistä sen kanssa, miten maailmankaikkeuden ainesisältö määritetään kosmologisessa mittakavaassa. Tämä riittäköön tästä.

  2. Cargo sanoo:

    Jos pimeän energian energiatiheys säilyy samana maailmankaikkeuden laajetessa, niin eikö tilannetta voisi verrata jousen venymiseen ja siinä kertyvään potentiaaliin, joka on per pituus vakio? Ja voisiko olla jopa niin, että ajan myötä kaikki tavallinen energia muuttuu tuollaiseksi avaruuden potentiaalienergiaksi ja maailmankaikkeuden heiluriliike kääntyy kohti avaruuden kutistumista sekä tavallisen energian maksimia.

    Kaisa Kankaan artikkeli ”matematiikan rajoista” on mainio, ja tavallaan siinä myös kerrotaan, missä kohtaa mennään käytännön rajoista yli. Tarkoitan siis joukko-opillista aksioomaa äärettömän joukon olemassaolosta, millä ei taida juuri olla tekemistä fysikaalisen maailman kanssa; ääretöntä ei voi ihmismieli ymmärtää, eikä se siksi ole mikään aksiomatisoitava itsestäänselvyys. Tulee myös muistaa, että käytännöllinen tietokonematematiikka perustuu äärelliseen lukujoukkoon sekä laskentaan. Äärettömän joukon avulla voidaan toki konstruoida reaaliluvut, mutta kylkiäisinä tulee loputon joukko ratkeamattomia, metamatemaattisia ongelmia, joilla ei ole yhtikäs mitään tekemistä luonnontieteiden kanssa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Maailmankaikkeuden laajenemisen tutkiminen pohjautuu yleisen suhteellisuusteorian ymmärtämiseen. Vaikka tämäntyyppisiä kielikuvia joskus käytetään viestinnässä alan ulkopuolisille, niiden avulla ei voi tehdä tutkimusta. Vastaus on ei.

      Äärettömän käsite on luonnontieteissä käytettävän matematiikan ytimessä. Mainitsemiesi reaalilukujen määrittely tietysti edellyttää sitä, samoin derivaatat, integraalit, ja niin edelleen.

  3. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Puolalainen Mikołaj Kopernik syntyi Toruń’issa 19.2.1473. Hänen syntymäkotinsa on siellä ja nyt museona. Toruń’issa on myös kalteva torni, tosin ei niin korkea eikä näyttävä kuin Pisan, ja Kopernik’in mukaan nimetty yliopisto. Keskiaikainen Toruń on myös UNESCOn maailman perintökohde. Jos siellä päin Puolaa liikkuu, niin kannattaa poiketa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Saman henkäyksen koskettama

10.10.2020 klo 13.44, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Turun kaupungin taidemuseo WAMissa on taiteilija Rosa Barban näyttely Touched By The Same Breath Of Air, jossa käsitellään muun muassa tähtitiedettä. Näyttely on auki 10.1.2021 asti. Pidin avajaisissa torstaina 8.10. seuraavanlaisen puheen.

(Puhetta olisi voinut korjata sen verran, että monissa Henrietta Leavittin alkuperäisissä kuvissa on hänen merkintöjään. Alkuperäiset kuvat olisi siis voinut esittää inhimillisen ja epäinhimillisen kosketuspintana.)

Arvon kutsuvieraat, arvoisa museoväki.

Vuonna 1927 yhdysvaltalainen kirjailija H.P. Lovecraft kirjoitti novellin The Colour Out of Space, väri avaruudesta.

Lovecraftin tarinassa taivaalta iskeytyy Uuteen Englantiin kivi, joka myrkyttää maatilan ja aloittaa hirvittävien tapahtumien ketjun. Kun tieteilijät tutkivat kiveä, sen spektriviivat eivät vastaa mitään Maapallolla tunnettua ainetta, ja taivaallisen vieraan synnyttämä väri on meille kauhea, ”kosminen ja tunnistamaton”.

Lovecraftin kertoja kuvailee seuraavasti:

”Tämä ei ollut henkäys taivailta, joiden liikkeitä ja ulottuvuuksia tähtitieteilijämme mittaavat, tai määräävät liian valtaviksi mitata. Se oli vain väri avaruudesta – järkyttävä lähettiläs äärettömyyden muodottomilta seuduilta, kaiken tuntemamme luonnon tuolta puolen.”

Rosa Barba on valinnut näyttelynsä nimeksi Saman henkäyksen koskettama. Ilmaisu kääntää Lovecraftin fraasin ”tämä ei ollut henkäys taivailta” merkityksen, se tekee toisesta samaa. Ehkä ei ole väärin nähdä näyttelyn teosta The Color Out of Space avaimena Barban luomille projektoreiden, filminauhojen, tallenteiden, teräsputkien, valojen seuduille, missä tuonpuoleinen ja inhimillinen kohtaavat.

Lovecraftilla avaruus on perustavanlaatuisesti erilainen kuin meidän maailmamme, toisten lakien alainen.

Rosa Barban teoksessa The Color Out of Space tieteellisiin tarkoituksiin otetut kuvat kaukaisista ja vieraista seuduista on estetisoitu ihmisten mittoihin. Taivaan valot on kytketty tieteilijöiden, taiteilijoiden ja kirjoittajien ääneen, joka sitoo mittaamattoman avaruuden lohdullisen rajalliseen ymmärryksen työhön.

Teoksessa Drawn by the Pulse, pulssin vetämä, vilkkuvat tähtitieteilijä Henrietta Leavittin kuvat, joissa pienen Magellanin pilven tähdet näkyvät sellaisina kuin ne olivat 200 000 vuotta sitten, ajalla ennen kuin ihmiset osasivat puhua. Alkuperäisten kuvien sisällössä ei ole mitään inhimillistä, eikä niiden ottamisessa ole käytetty esteettistä harkintaa. 

Teoksessa esille perattu analoginen filmi, kuten The Color Out Spacen peräkkäiset lasipaneelit, tuo mieleen avaruuden jäätyneen museon, jossa menneisyys on pysähtynyt katsottavaksemme.

Rosa Barba vangitsee tähtien hypnoosin ja yhdistää nämä värittömät otokset ihmisen lämpimään historiaan.

Sisarteoksessa Near the Small Magellanic Cloud, pienen Magellanin pilven lähellä, on otos Leavittin tieteellisestä artikkelista, jossa näkyy osa tähtien paikoista. Artikkeli on nykyään itsekin pala menneisyyttä, ja Leavittin sata vuotta vanhoilla kuvilla on lähinnä muistoarvoa.

Rosa Barba on verrannut aikaa monikerroksiseen lohkareeseen, jossa toistensa päällä olevat aikakaudet kehittyvät kuin muistot.

Kuvamme maailmankaikkeuden menneisyydestä tosiaan muovautuu ajan myötä, kun teemme uusia havaintoja ja löydämme hienompia teorioita. Mutta siinä missä ihmisen kuva tapahtuneesta varisee ja sekoittuu vuosien kuluessa, tieteen kuva tarkentuu ja valaistuu aiemmin tuntemattomilla väreillä.

Toisenkin kirjailijan haamu on läsnä tänä iltana, ei vain Lovecraftin. Teos Blind Volumes (Sokeita teoksia tai sokeita tiloja) viittaa argentiinalaisen kirjailijan -sokeutuneen kirjailijan- Jorge Luis Borgesin novelliin Baabelin kirjasto.

Tarinan kirjastossa on kaikki mahdolliset korkeintaan 410 sivua pitkät kirjat. Kertomus leikittelee kirjallisen luomisen arvolla ja Borgesille ominaiseen tapaan yhdistää kaksi vastakohtaa: kaikkien merkitysten summan ja täydellisen merkityksettömyyden.

Barban teoksessa Blind Volumes käytetyt teräskehykset ovat yleensä rakenteiden kantajia. Barba on laittanut ne kehystämään tyhjyyttä tavalla, joka yhdistää järjestyksen ja mielivaltaisuuden.

Borges oli leikkisä, ja ehkä teoksen voi hänen henkensä mukaisesti nähdä taiteilijan karikatyyrinä tieteestä – tieteestä joka kehystää ilmiöiden merkitykset samalla kun se riisuu maailman merkityksestä.

Tiede on osoittanut, että toisin kuin Lovecraftin tarinassa, todellisuudessa samat luonnonlait pätevät kaikkialla maailmankaikkeudessa. Mutta Lovecraft oli oikeassa siinä, että nämä lait ovat ihmiselle vieraita. Tieteen paljastama kuva ajasta, avaruudesta, aineesta, tapahtumisesta ja olemisesta osoittaa arkikäsityksemme tyystin virheellisiksi.

Maailman alaston toiseus voi synnyttää kauhua. Mutta se myös herättää ihmetystä, kun tiede irrottaa arjen palasia ja näyttää todellisuuden niiden alta, mielikuvituksen tuolta puolen.

Myös taide nyrjäyttää ajatteluamme irrottamalla käsitteitä tutuista lokeroista, luomalla uusia merkityksiä ja vaatettamalla maailman värikkääseen kuosiin.

Antautukaamme tänä iltana nyrjäytettäviksi.

4 kommenttia “Saman henkäyksen koskettama”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”Maailman alaston toiseus voi synnyttää kauhua. Mutta se myös herättää ihmetystä, kun tiede irrottaa arjen palasia ja näyttää todellisuuden niiden alta, mielikuvituksen tuolta puolen.”

    Minäkö tyhmä? Nyt en ymmärrä? Tästä tuli déjà vu siitä ajasta, kun luin Oswald Spenglerin Länsimaiden perikato (Der Untergang des Abendlandes, suom. Yrjö Massa)-kirjaa. Kirjan lauseiden kaikki sanat saattoivat olla tuttuja ja ymmärrettäviä, mutta itse lauseiden tarkoitus ei aina auennut. M. A. Nummisen Muistelmat I Kaukana väijyy ystäviä-kirjan nimi huvittaa, koska siinä on tietoisesti tavoiteltu järjettömyyttä.

    1. Alarik sanoo:

      Pysähdyin itsekin kappaleen kohdalle, mutta eri syystä. Mielestäni metaforan värittämät sanat kuvaavat harvinaisen osuvasti ja kauniisti tunteiden kahtiajakautuneisuutta tieteen myllertämässä mielessä.

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Eräs kahtiajakautuneisuuden muoto on kaksimielisyys, minkä voi saada aikaan tunnetusti sananmunnoksilla.

  2. ”Maailman alaston toiseus voi synnyttää kauhua.”

    Todellakin, maailman alaston toiseus voi synnyttää kauhua, koska maailma on hallintamme ja myös ymmärryksemme tuolla puolen fysiikan hämmästyttävistä saavutuksista huolimatta. Tulee mieleen Jobin kirjan kirjoittajan näkemys Jumalan olemuksesta. Vahvaa tekstiä vaikkei Jumalaan uskoisikaan.

    ’Toiseus’ on kuitenkin mielenkiintoinen käsite siinä mielessä, että se on suhde: suhde puhujan ja sen toisen, siis maailman, välillä. Maailman toiseus on siis toiseutta suhteessa puhujaan, subjektiin, tietoisuuteen. Emme pääse eroon subjekti-maailma -suhteesta jos haluamme puhua todellisuudesta konkreettisessa mielessä, todellisuuden ontologisesta rakenteesta. Jos poistamme tästä suhteesta subjektin, maailma liukenee olemattomiin, eikä mitään ole. Jos poistamme siitä aineellisen maailman, subjektiakaan ei ole. Ja kuten jo kielioppimme sanoo, olemattomuutta ei ole. Siispä emme pääse eroon tietoisuudesta jos haluamme ymmärtää olemista. Fysiikka sulkeistaa tietoisuuden, koska ei tarvitse sitä osana käsitteistöään, mutta ei huomaa sen merkitystä kaiken tiedon ja olemisen transsendentaalisena ehtona. Ja siinä vaiheessa kun fysiikka yrittää selittää tietoisuuden olemassaoloa fysikalistisesta lähtökohdasta, mennään todella pahasti metsään, ja paljastuu fysiikan itseymmärryksen puute.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Luotettava ennustus ja tiheä kappale

7.10.2020 klo 00.42, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti eilen myöntävänsä puolet tämän vuoden fysiikan Nobelin palkinnosta Roger Penroselle ”siitä löydöstä, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian luotettava ennustus” ja toisen puolen Reinhard Genzelille ja Andrea Ghezille ”superraskaan tiheän kappaleen löytämisestä galaksimme keskustasta”. (Suurelle yleisölle suunnattu selitys on täällä, tarkempi taustoitus täällä.)

Ghez on neljäs nainen, joka saa fysiikan Nobelin palkinnon. Ennen häntä olivat Marie Curie vuonna 1903, Maria Goeppert Mayer vuonna 1963 ja Donna Strickland vuonna 2018.

Tämä on toinen mustista aukoista annettu Nobelin palkinto. Se tulee pian törmäävien mustien aukkojen gravitaatioaalloista vuonna 2017 myönnetyn palkinnon jälkeen. Kuten silloin, nytkin palkinnon saavat kaksi havaintopuolen tutkijaa ja yksi teoreetikko.

Genzel ja Ghez johtavat kahta tutkimusryhmää, jotka ovat tarkkailleet Linnunradan keskustan tähtien liikkeitä 90-luvulta asti. Maapallo on 26 000 valovuoden päässä Linnunradan keskustasta, joten yksittäisten tähtien havaitseminen ja niiden liikkeiden seuraaminen tarkasti on melkoinen saavutus.

Tässä on Ghezin ryhmän 25 vuoden datasta tehty animaatio tähtien liikkeistä. Tähdet kiertävät tiheää kohdetta, jonka massa on noin neljä miljoonaa Auringon massaa. Lähin rata kulkee etäisyydellä, joka on muutama sata kertaa mustan aukon tapahtumahorisonttia isompi. Tämä on tarpeeksi lähellä, että yleisen suhteellisuusteorian korjaukset tähtien ratoihin on ollut mahdollista mitata, mutta niin kaukana, että mustan aukon nielusta ei saa tarkkaa kuvaa. (Galaksin M87 keskustan mustan aukon tapahtumahorisontin tienoot kuvannut Event Horizon Telescope -ryhmä on tehnyt havaintoja myös Linnunradan keskustasta, mutta data-analyysi ei ole vielä valmis.) Mutta on nähty infrapunavälähdyksiä etäisyydeltä, joka on 3-5 tapahtumahorisontin kokoinen.

Mikään tunnettu kappale ei voi olla näin tiheä ja himmeä, joten on päätelty, että kyseessä on musta aukko.

Toisin kuin vuoden 2017 palkinnon tapauksessa, teoreetikko Penrosen työ ei liity suoraan Genzelin ja Ghezin tutkimukseen, vaan on vaikuttanut merkittävästi taustalla. Penrose tunnetaan sekä matemaatikkona että fyysikkona. (Helsingin Keskuskatu on muuten päällystetty hänen kehittämällään Penrosen laatoituksella.)

Penrose on omaperäinen, kekseliäs ja matemaattisesti taitava tutkija, joka on kehittänyt monenlaisia ideoita. Nobelin palkinnon perusteeksi nostettiin se, että hän vuonna 1965 osoitti, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian väistämätön seuraus.

Ensimmäisen mustaa aukkoa kuvaava yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisun löysi fyysikko Karl Schwarzschild vain kuukausi sen jälkeen, kun fyysikko Albert Einstein ja matemaatikko David Hilbert julkaisivat yleisen suhteellisuusteorian lopullisen muotoilun. Schwarzschildin ratkaisu oli pallosymmetrinen, eli samanlainen kaikissa suunnissa. Vuosikymmeniä oli epäselvää, kuvaavatko tämän ratkaisun kummalliset piirteet todellisuutta, vai katoavatko ne, kun tarkastellaan ratkaisuja, jotka eivät ole aivan pallomaisia.

Näitä piirteitä ovat tapahtumahorisontti ja singulariteetti. Jos tarpeeksi massaa on tietyn säteen sisällä, niin mikään ei pääse pakenemaan sen sisältä, ei edes valo. Tämän säteen rajaamaa pintaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Mustan aukon keskustassa taasen on piste, jossa aika-avaruuden kaarevuus on ääretön ja yleinen suhteellisuusteoria ei päde.

Penrose osoitti lähtien hyvin yleisistä oletuksista, että kunhan tarpeeksi massaa on pakkautunut tietyn säteen sisään, niin se romahtaa mustaksi aukoksi, riippumatta siitä miten massa on jakautunut. Tämä todisti, että mustia aukkoja syntyy, jos yleinen suhteellisuusteoria pitää paikkansa. Palkinnon taustamateriaali loppuu seuraavaan muistutukseen:

“Se missä määrin tapahtumahorisontin ympäröimä musta aukon rakenne todella vastaa yleisen suhteellisuusteorian ennusteita on vielä avoin kysymys. Luonnolla voi olla yllätyksiä varastossa.”

Vuonna 1967, kaksi vuotta Penrosen tuloksen jälkeen, Stephen Hawking sovelsi samaa ideaa koko maailmankaikkeuteen. Hän osoitti että jos maailmankaikkeus laajenee, niin silläkin on jossain singulariteetti – mahdollisesti alussa. Kuten Hawkingin kuoleman jälkeen kirjoitin:

Yhdessä Penrose ja Hawking osoittivat, että singulariteetit ovat yleinen ja oleellinen osa yleistä suhteellisuusteoria: voi sanoa, että yleinen suhteellisuusteoria ennustaa oman loppunsa (eli pätevyysalueensa rajallisuuden).”

Penrose myös keksi vuonna 1969 hänen nimeään kantavan Penrosen prosessin, jonka avulla voi kerätä energiaa pyörivistä mustista aukoista. Tämä hyvin teoreettinen idea oli sittemmin ponnahduslauta todellisten taivaalla näkyvien mustien aukkojen ympärillä pyörivien ainekiekkojen energiantuotannon ymmärtämiseen.

Penrose on myös rohkeasti esittänyt ideoita muun muassa maailmankaikkeuden alkuhetkistä, kvanttigravitaatiosta, kvanttimekaniikan ja tietoisuuden yhteydestä ja aaltofunktion romahtamisesta. (Aikoinaan ehdotin näitä Penrosen kvanttimekaniikkaan liittyviä ideoita pelin Quantum Break materiaaliksi Remedylle asiasta konsultoidessani; en tiedä mitä peliin lopulta päätyi.)

Penrose on ainoa tietämäni fyysikko, joka julkaisee merkittävää tieteellistä materiaalia suurelle yleisölle suunnatuissa kirjoissa. Onkin hämmentävää, miten paljon Penrosen edistynyttä matematiikkaa sisältäviä teoksia ostetaan.

Hän on kirjoissaan myös arvostellut valtavirtatutkimusta niin säieteorian kuin kosmisen inflaationkin osalta. Penrose on kehittänyt oman vaihtoehdon inflaatiolle, jossa maailmankaikkeuden vaiheet toistuvat alkuräjähdyksestä loppuun asti äärettömän monta kertaa. Penrose on yhdessä muiden tutkijoiden kanssa julkaissut artikkeleita, joiden mukaan kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyy merkkejä tällaisesta aiemmasta maailmankaikkeuden ajasta. Ainakin osan artikkeleista data-analyysi tosin on huolimatonta, eikä ole kestänyt lähempää tarkastelua. Kosmisen inflaation tueksi sen sijaan on paljon havaintoja.

Menneinä vuosikymmeninä hiukkasfysiikka kahmi Nobelin palkintoja vuosi toisensa perään, mutta vuoden 2012 Higgsin löytämisen jälkeen hiukkasfysiikan Standardimallissa ei ole enää löydettävää, eikä kiihdyttimissä ole nähty mitään sen tuolta puolen. Vuoden 2017 palkinto gravitaatioaalloista, viime vuoden palkinnon Jim Peeblesille kosmologiasta mennyt puolikas ja tämän vuoden palkinto muistuttavat löytöjen tulevan nyt ennemmin taivaalta. Monet pohtivat, koska on kosmisen inflaation vuoro – ja mikä osa siitä palkitaan, kenet kutsutaan Tukholmaan ja ketkä jäävät ilman matkalippua.

18 kommenttia “Luotettava ennustus ja tiheä kappale”

  1. Maallikko sanoo:

    Jos mustan aukon keskustassa on piste, jossa aika-avaruuden kaarevuus on ääretön niin onko mainittu piste äärettömän pieni vai läpimitaltaan vähintään planckin pituuden kokoinen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ennustus mustan aukon keskustassa olevasta singulariteetista on yleisen suhteellisuusteorian piirissä. Yleisessä suhteellisuusteoriassa ei ole kvanttifysiikkaa eikä siten myöskään Planckin pituutta.

      Schwarzschildin mustan auton singulariteetti on pistemäinen, pyörivän mustan aukon singulariteetti on renkaan muotoinen.

      1. Cargo sanoo:

        Tuli mieleen, että olisiko mitenkään mahdollista, että mustan aukon keskustan kaarevuutta rajoittaa sama voima, joka on avaruuden laajenemisen taustalla? Eli kun avaruus puristuu kasaan, niin negatiivinen paine kumuloituu ja estää singulariteetin muodostumisen?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Avaruuden laajenemisen taustalla ei ole voimaa. Avaruuden laajeneminen on aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä, kuten myös mustan aukon singulariteetti.

          Maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen mahdollisesti aiheuttava pimeä energia ei estä singulariteetin muodostumista.

          On useita erilaisia ideoita siitä, mitä singulariteetille tapahtuu -ja yleisemmin, mikä on mustien aukkojen sisärakenne- yleisen suhteellisuusteorian tuolla puolen.

          1. Martti V sanoo:

            Kiihtyvä laajeneminen big rip skenaariossa repii kaiken jopa mustat aukot rikki mutta tällä hetkellä gravitaatio voittaa ylivoimaiseti. Ääretön kaatevuus ei välttämättä ole totuus vaikka suhteellisuusteoria niin ennustaa. Einstein piti jo aikoinaan singulariteettia vastenmielisenä.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Avaruuden laajenemisessa on siinäkin kyse gravitaatiosta.

          3. Martti V sanoo:

            Onko pimeä energia avaruuden kaarevuudesta johtuvaa potentiaalienergiaa ? Avaruus siis laajenee koska massa menee kohti alimpaa potentiaalia.

          4. Martti V sanoo:

            Kommenttisi siitä, että gravitaatio aiheuttaa laajenemisen on mielenkiinoinen. Tästä on kaiketi eriäviä mielipiteitä, mutta uskon siihen siihen että avaruuden kaarevuus on taustalla.

          5. Syksy Räsänen sanoo:

            Ei, gravitaatio ei aiheuta avaruuden laajenemista, vaan avaruuden laajeneminen on osa gravitaatiota.

            Sen taustalla ei ole avaruuden kaarevuus, vaan laajeneminen on aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä. Asia on järkevän epäilyn ulkopuolella.

            Laajenemisesta, aika-avaruuden kaarevuudesta ja avaruuden kaarevuudesta, ks.

            https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajaton_kasvu

            http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kaareuden_kietoutumista

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

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    In simple terms,he [Penrose] believes that the singularity in Einstein’s field equation at the Big Bang is only an apparent singularity, similar to the well-known apparent singularity at the event horizon of a black hole. The latter singularity can be removed by a change of coordinate system, and Penrose proposes a different change of coordinate system that will remove the singularity at the big bang.”

    Yo. lainaus wikipediasta ei sovi siihen väittämään, mitä Syksy kirjoitti Hawkingin kuoleman jölkeen.

    ”Yhdessä Penrose ja Hawking osoittivat, että singulariteetit ovat yleinen ja oleellinen osa yleistä suhteellisuusteoria: voi sanoa, että yleinen suhteellisuusteoria ennustaa oman loppunsa (eli pätevyysalueensa rajallisuuden).”

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En kommentoi Wikipedia-artikkeleita, koska ne ovat fysiikan kohdalla niin usein epäluotettavia.

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Jos ottamassani wikipedian sitaatissa on väärää tietoa, niin korjaa ihmeessä se sinne. Minusta qikipedia on erittäin arvokas tietolähde ja minä arvostan sitä, koska se on ilmainen, kaikkien saatavilla ja kaikkien korjattavaissa toisin kuin monet tieteellisten lehtien artikkelit.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          En käytä aikaani sen enempää Wikipedian fysiikka-artikkelien kommentoimiseen kuin editoimiseen.

          1. Sinikka sanoo:

            Eikö tämä ole hieman arrogantti asenne? Olisi hyvinkin mielenkiintoista, jos me tavalliset pulliaisetkin saisimme lukea valaistuneemman joukon faktatietoa. Vai onko se ajanhukkaa? Että asiat opitaan oikein nuoresta lähtien. Moniko lapsi, nuori, opiskelija jne. lukee Wikipediaa? Ja opimme vääriä asioita. Koska tieto ei ole kaikkien saatavilla. Palvelet yhteistä hyvää, jos jaksat vähän nähdä vaivaa!

          2. Sinikka sanoo:


            Meidän täytyy pohtia, mikä on oikein ja välttää tekemästä sitä, minkä tiedämme vääräksi.

          3. Syksy Räsänen sanoo:

            Yllä oleva sitaatti viittaa siihen, että pitää välttää tekemästä sitä, mikä on moraalisesti väärin.

            Tässä ei ole kyse moraalista, vaan asioiden laittamisesta tärkeysjärjestykseen.

            Wikipedian fysiikka-artikkelien editoimiseen menevä vaiva ei olisi aivan vähäinen.

            Wikipediaan luottaminen on toki iso ongelma (joka ei fysiikan osalta suinkaan ole pahimmillaan).

  3. Jernau Gurgeh sanoo:

    Veritasiumin Derek sattumoisin julkaisi viikko sitten videon Penrosen laatoista. Kesto 20 minuuttia. Suosittelen vahvasti kaikille. Paljon mielenkiintoista asiaa.

    https://www.youtube.com/watch?v=48sCx-wBs34

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *