Tonni tankissa

30.6.2020 klo 01.31, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla pidettiin CERNissä järjestetty etäkonferenssi Zooming in on Axions. Aiheena oli nimen mukaisesti aksionit, spekulatiiviset hyvin kevyet alkeishiukkaset. Aksionit ovat suosituimpia ehdokkaita pimeäksi aineeksi.

Aksioneja on tutkittu yli 40 vuotta, ja niiden suosio on viime vuosina kasvanut. Ne olivat nyt erityisen ajankohtaisia, koska koeryhmä XENON1T ilmoitti sattumalta konferenssia edeltävällä viikolla kenties havainneensa niitä. Koeryhmän jäsenen Michelle Gallowayn esitys aiheesta päätti konferenssin.

XENON1T on koe, jossa on tonni nestemäistä ksenonia tankissa. Tankki sijaitsee Gran Sasson kaivoksessa Italiassa, samassa paikassa kuin kiistelty pimeän aineen koe DAMA/Libra ja liikoja väittänyt neutriinokoe OPERA.

XENON1T on rakennettu etsimään raskaita pimeän aineen hiukkasia, niin sanottuja nynnyjä ja niiden kaltaisia hiukkasia. Periaate on yksinkertainen. Pimeää ainetta (jos sitä on olemassa) on kaikkialla. Koska Maapallo liikkuu, tankin läpi kulkee koko ajan pimeää ainetta. Jos pimeän aineen hiukkanen törmää tankissa olevan atomin ytimeen, atomista tulee valoa ja irtoaa elektroni, jotka havaitaan.

Koska nynnyjä ei ole näkynyt, koeryhmä on etsinyt myös muita mahdollisia hiukkasia. Jos pimeän aineen hiukkanen on kevyt, se ei anna ytimille isoa tönäisyä, mutta voi silti pystyä potkimaan elektroneja sijoiltaan, koska ne ovat kevyempiä. Koeryhmä löysikin huolellisen tarkastelun jälkeen signaalin: elektroneihin kohdistuu potkuja, joiden alkuperä on tuntematon.

Kiinnostavaa on se, että potkujen energia vastaa aksionimallien ennusteita. Koska aksionit ovat kevyitä, niiden tuottaminen ei vaadi paljon energiaa. Niinpä, jos aksioneja on olemassa, niitä syntyy koko ajan Auringon ytimessä. Koska aksionit vuorovaikuttavat aineen kanssa erittäin heikosti, ne pääsevät Auringosta pakoon. Maan läpi siis kulkee vuo aksioneja, joiden energia vastaa Auringon ytimen lämpötilaa. Kutkuttavasti XENON1T:n havaitsemien potkujen energia on juuri tämä.

XENON1T-ryhmä ei vielä väitä havainneensa aksioneja. Koelaitteiston pitää olla erittäin herkkä, jotta se voisi havaita aksionien heiveröisen signaalin. Tämä tarkoittaa myös sitä, että kaikki ympäristön häiriöt pitää olla hyvin selvillä. On mahdollista, että potkut johtuvat siitä, että laitteistossa on pieniä määriä tritiumia, joka hajoaa radioaktiivisesti. Aksioni tosin sopii havaintoihin paremmin kuin tritium, ja laitteisto on tarkkaan puhdistettu, mutta asiasta ei ole varmuutta.

On myös mahdollista, että kyseessä on sattuma. Sen todennäköisyys on naiivisti arvioiden noin 1:2000. Galloway vertasi tätä siihen, että heittää arpakuutiolla viisi kuutosta peräkkäin (minkä todennäköisyys on itse asiassa noin neljä kertaa pienempi).

Hiukkasfysiikassa tällaista pidetään vain vihjeenä jostain, löydöstä puhutaan vasta kun sattuman todennäköisyys alle noin yksi miljoonasta. Vuonna 2016 eräs LHC-kiihdyttimen kohuttu signaali osoittautui sattumaksi, vaikka naiivi arvio tämän todennäköisyydestä oli alle 1:100 000.

Syynä oli se, että LHC tuottaa valtavasti dataa, josta tehdään satoja analyysejä. Niinpä joskus törmää kohinaan, joka näyttää signaalilta. Jos heittää noppaa tuhat kertaa, ei ole kovin epätodennäköistä, että jossain kohtaa tulee peräkkäin viisi kuutosta.

XENON1T-kokeen tilanne on erilainen. Se, ja muut vastaavat pimeää ainetta etsivät kokeet, tekevät paljon vähemmän erilaisia etsintöjä. Siispä on vähemmän luultavaa, että kyseessä olisi sattuma kuin jos jokin LHC:n koe näkisi signaalin, jonka todennäköisyys olisi naiivisti arvioituna sama.

Tapaus on niin kiinnostava, että se toi hiukkasfyysikko Jesterin takaisin bloginsa satulaan kahden vuoden tauon jälkeen (teknisiä yksityiskohtia voi lukea hänen blogimerkinnästään ja sen kommenteista), mutta epäilyyn on vielä aihetta.

Yksi ongelma on se, että jos signaali johtuu aksioneista, niitä on liikaa. Potkujen määrästä voi päätellä, paljonko Auringossa syntyy aksioneja. Aksionien mukana tähdistä poistuu energiaa, joten ne jäähtyvät nopeammin. Tällaista ylimääräistä jäähtymistä ei ole havaittu, ja kokeen osoittama tahti on niin kova, että se muuttaisi tähtien kehitystä enemmän kuin mitä havainnot sallivat.

Havaintojen ja mallin ristiriitahan ei toki ole teoreetikolle ongelma vaan mahdollisuus. Ensimmäinen tieteellinen artikkeli, jossa tarjottiin havaintoja selittävää mallia, tuli julki kahdeksan tuntia koeryhmän ilmoituksen jälkeen. Puolessatoista viikossa artikkeleita on tullut 40, ja lisää on varmasti uunissa.

Asiaa eivät ratkaise teoreetikot, vaan lisähavainnot. Koeryhmä kasaa par’aikaa koetta XENONnT, joka on kolme kertaa XENON1T:n kokoinen ja jossa taustahäiriöt ovat paljon pienempiä. Se aloittanee toiminnan neljän kuukauden kuluttua. XENON1T:n analyysi perustui 227 päivän dataan, joten XENONnT saa alle muutamassa kuukaudessa kerättyä yhtä paljon dataa. Jos siinä näkyy samanlainen signaali, on järkevän epäilyn ulkopuolella, että kyseessä olisi sattuma. Mikä oleellisempaa, uusi laite pystyy myös erottamaan tritiumin ja aksionit toisistaan, niiden antamat potkut kun ovat hieman erilaisia.

Uusia tuloksia sopii siis odottaa vuoden sisään. Jos teoreetikoiden tahti pitää, siihen mennessä on ilmestynyt yli tuhat vaihtelevan laatuista artikkelia aiheesta.

Jos nynnyjä etsimään lähtenyt XENON1T on todella havainnut aksioneja, siitä tulee mieleen suurta yhtenäisteoriaa ja protonin hajoamista jahdannut Super-Kamiokande, joka löysi sen sijaan neutriinoiden muuttumisen toisikseen, mistä myönnettiin kaksi Nobelin palkintoa. Toisaalta voi muistaa, että mahdollisia pimeän aineen signaaleja on tullut paljon, ja suurin osa niistä on myös mennyt pois (ks. täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä).

41 kommenttia “Tonni tankissa”

  1. Lentotaidoton sanoo:

    https://home.cern/science/experiments/cast
    Tässä vähän toisenlaista etsintää, eli LHC on puolestaan omalla panoksellaan mukana. En tosin tiedä onko tämä(kin) huitova vehje vielä kestävän remontin uudistettavana.

    https://atlas.cern/updates/physics-briefing/light-scattering-light-constrains-axion-particles
    Tässä taas ATLAS tutkii ”axion-like” hiukkasia (nämäkin siis jo aiemmin kerättyyn dataan perustuen)

    LHC:hän alkaa tosi toimiin remontin jäljiltä vasta ensi vuoden syyskuussa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      CAST tosiaan mittaa fotoneiden muuttumista aksioneiksi, eli aksionien ja fotonien kytkentää. XENON1T sen sijaan mittaa lähinnä aksionien ja elektronien kytkentää, vaikka fotonienkin kytkentä on analyysissä mukana.

      Tuosta toisesta analyysistä en tiennytkään. Tuo mahdollinen aksionien massan alue on tosin teoreettiselta kannalta toivottoman korkea, mutta kaikkeahan kannattaa tutkia kun dataa on.

  2. Eusa sanoo:

    Olisiko mahdollista, että matalilla energioilla yleisesti esiin saatava neutriinovuo olisi runsaampaa auringon toiminnasta riippumatta? Onko tästä aiempaa dataa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Datassa näkyykin Auringon neutriinoiden aiheuttamia potkuja. Jotta Auringon neutriinot voisivat selittää kaikki potkut, niitä pitäisi olla luultua enemmän (eli Auringon toiminnan pitäisi olla erilaista kuin mitä on luultu) tai niiden pitäisi vuorovaikuttaa luultua voimakkaammin (eli pitäisi olla uutta hiukkasfysiikkaa, joka yhdistää neutriinot elektroneihin).

      Jälkimmäinen vaihtoehto on mahdollinen, epäilen (mutta en tiedä) salliiko data edellistä.

      Mutta tarkoitat ilmeisesti, että olisi jokin muu juuri sopivan energisten neutriinojen lähde kuin Aurinko? Miksei periaatteessa, en tiedä millaisia rajoituksia näillä energioilla sille on.

      1. Eusa sanoo:

        CNB-neutriinoja odotetaan nähtävän mahdollisesti vielä paljon matalimmilla energioilla, mutta pieni todennäköisyys on, että jo tuossa olisi niitä mukana.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kosmisen neutriinotaustan neutriinoiden energia on noin miljoona kertaa liian pieni, jotta ne voisivat selittää XENON1T:n havaitsemia potkuja.

  3. Martti V sanoo:

    Kiitos Syksy. Odottelinkin aiheesta postausta. Miten on päätelty, että aksionit olisi juuri auringosta? Jos aksioneita on kaikialla mahdollsesti selittäen pimeän aineen, niin luulisi sen energiaa oleva tarjolla.

    Löydös ilmeisesti muuttaa käsitystä standardimallista? Ennustaako aksioninin olemassaolo jotain mielenkiintoista esim yhtenäisteoriasta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jos pimeä aine koostuu aksioneista, sekä niiden aksionien massa että nopeus ovat pieniä. Niinpä niiden energia ei riitä antamaan nyt havaittuja potkuja.

      Mitäänhän ei ole vielä löydetty. Mutta jos havainnot selittyvät aksioneilla, se opastaa kyllä eteenpäin. Aksionit ovat tosin esimerkki mallista, joka on rakennettu nykyisen tiedon päälle, pohjalta ylös, ei ylhäältä alas. Ei siis ole ihan selvää, mitä aksionien havaitseminen kertoo vaikkapa yhtenäisteoriasta.

      Mutta aksioneihin liittyy kaikenlaisia kiinnostavia mahdollisia ilmiöitä, ja niiden löytäminen auttaisi tarkentamaan tutkailuja. Kirjoitin aksioneista täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/totalitaristinen-periaate-ja-vanhan-ajan-romantiikka/

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Päätelmä siitä, että aksionit olisivat Auringosta, perustuu siis siihen, että se on ainoa tunnettu sopiva aksionien lähde. Ja energia täsmää.

        Mutta datasta ei esimerkiksi pysty erottamaan mitään aikavaihtelua tai suuntaa.

  4. Martti V sanoo:

    Aksionikenttä selittänee vahvan CP symmetrian. Oliko symmetria tavallaa rikki universumin alussa, mutta ”korjaantui” kentän hakeutuessa alimpaan potentiaaliin? Voiko ajatella, että epäsymmetria siirtyi kvarkkien ja antikvarkkien lukumäärään?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Joo, vahvan vuorovaikutuksen CP-symmetriaa rikkova termi tosiaan asettuu nollaan vasta aksionin painuessa potentiaalinsa minimiin ajan kuluessa.

      CP-symmetrian rikko ei siirry minnekään, se vain korjaantuu. Aksioneilla voi kyllä olla osansa baryogeneesissä (eli kvarkkien ja antikvarkkien lukumäärän erossa), mutta tarina on monimutkaisempi.

      1. Martti V sanoo:

        ”Idea on samankaltainen kuin Higgsin mekanismissa, missä Higgsin kenttä vuorovaikuttaa hiukkasten kanssa siten, että ne käyttäytyvät kuin niillä olisi massa. Aksionien tapauksessa aksionikenttä vuorovaikuttaa gluonien kanssa siten, että ne käyttäytyvät kuin niillä ei olisikaan tuota yhtä vuorovaikutusta. ”
        Voitko avata minkä välistä vuorovaikutusta tuossa lopussa tarkoitat?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tuo olikin epämääräisesti kirjoitettu. Asia on matemaattisesti yksinkertainen, mutta en tiedä osaanko selittää sitä yleistajuisesti kovin hyvin.

          QCD:n symmetria rajoittaa sitä, miten gluonit voivat vuorovaikuttaa keskenään. Yleensä QCD:ssä on vain kaksi perusvuorovaikutusta suoraan gluonien välillä: sellainen, missä kolme gluonia tulee yhteen (esim. gluoni säteilee gluonin) tai sellainen, missä neljä gluonia tulee yhteen (esim. kaksi gluonia törmäävät ja muuttuvat toisiksi kahdeksi gluoniksi).

          Sen lisäksi on olemassa myös toinen mahdollinen yhdistelmä kolmi- ja neligluonivuorovaikutusta. Se on kuitenkin sellainen, että yhdistelmän eri osat kumoavat toisensa, niin että mitään vuorovaikutusta ei tapahdu – ainakaan klassisesti. Kvanttimekaanisesti nämä vuorovaikutusten osat eivät kuitenkaan yleisesti ottaen täysin kumoa toisiaan, ja niillä on fysikaalinen vaikutus.

          Aksioni kytkeytyy tähän vuorovaikutusten yhdistelmään. Kun aksionikenttä asettuu minimiinsä, niin tuon vuorovaikutusten yhdistelmän kertoimeksi tulee nolla, eli se häviää.

          1. Martti V sanoo:

            Kiitos, tämä selvitti riittävästi. Higgs kentän vaikutuksessa eräs symmetria rikkoutuu, kun taas axion kenttä vaikuttaa toiseen symmetriaan. Mielenkiintoista miten kentät ovat alkujaan asettunut sellaisiksi kuin ovat. Onko axion kenttä voinut olla inflaation aikana?

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Aksionikentällä, kuten Higgsillä, on oma symmetriansa, joka rikkoutuu kun kenttä asettuu minimiinsä.

            Aksionikenttä (jos sitä on) on oletettavasti ollut olemassa jo inflaation aikana. Tuo rikkoutuminen on saattanut tapahtua inflaation aikana tai sen jälkeen, ja seuraukset ovat erilaiset.

            Aksioneihin liittyy paljon kiinnostavia ilmiöitä, ne voivat esimerkiksi muodostaa säikeitä ja verkostoja, joiden romahtaminen punoutuminen voi synnyttää gravitaatioaaltoja ja romahtaminen mustia aukkoja.

  5. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Eikö XENON10, -100 ja -1T olleet alunperin tarkoitetut WIMP’ien havaitsemiseen? Nyt niistä ei enää puhuta mitään (engl. teksti alla) vaan aksioneista, vaikka Syksy kirjoittaa näin: ”Jos pimeä aine koostuu aksioneista, sekä niiden aksionien massa että nopeus ovat pieniä. Niinpä niiden energia ei riitä antamaan nyt havaittuja potkuja.”

    In June 2020, the XENON1T collaboration reported an excess of electron recoils: 285 events, 53 more than the expected 232.Three explanations were considered: existence of to-date-hypothetical solar axions, a surprisingly large magnetic moment for neutrinos, and tritium contamination in the detector. There is insufficient data to choose among these three, though the XENONnT upgrade should provide this capacity.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kirjoitan tekstissä WIMPeistä suomennoksella nynny.

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Toki sen ymmärsin. XENON1T ja muut XENONit oli suunniteltu nynnyjen havaitsemiseen eikä niitä löydetty. Niinpä päätettiin etsiä aksoneja, vaikka XENON ei siihen soveltuisikaan. Sama asia kuin risalla ilmapuntarilla alettaisiin mitata painoa, koska se ei sovellu ilmanpaineen mittaamiseen.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kuten tekstissä todetaan, XENON1T voi havaita aksioneja, joita syntyy Auringossa.

          Se ei voi havaita niitä aksioneja, jotka ovat olleet jo kauan olemassa ja muodostavat pimeän aineen.

          Näiden kahden ero on sama kuin kosmisen mikroaaltotaustan ja Auringossa syntyvän valon. Edellisen fotonien energia on niin pieni, että niitä ei näe silmällä, mutta Auringon fotonit näkee.

          1. Lentotaidoton sanoo:

            Mielenkiintoista. Siis jos nyt etsitään mahdollisia aksioneja auringosta niin se tarkoittanee, että kosmoksen kaikki miljardit miljardit tähdet tekevät/ovat tehneet samoin. Eli ”kauan olemassa olleet” muodostaisivat historian tähtien ns pimeän aineen mutta että kaikki nykyajan tähdet vielä lisäisivät tuota vuota (vastaavuus mikroaaltotaustan ja Auringon fotonit). Eli että pimeä aine sen kuin jatkaa (historiallista) lisääntymistään? Niinkuin pimeä energiakin.

            Eli ennen tähtien syttymistä pimeää ainetta ei olisi ollut? Vai voiko kuvitella pimeän aineen ennen tähtien syttymistä (jostain muusta syystä syntyneen) ”mikroaaltotaustan”? – koska kirjoitat: ”Aksionikenttä (jos sitä on) on oletettavasti ollut olemassa jo inflaation aikana”.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Pimeä aine ei kokonaisuutena ole syntynyt tähdissä.

            Tähdissä syntyvien aksionien määrä on mitätön verrattuna pimeän aineen kokonaismäärään.

            Aivan kuten tähdissä syntyvien fotonien määrä on mitätön verrattuna fotonien kokonaismäärään.

            Pimeän aineen energiatiheys on noin viisi kertaa niin iso kuin näkyvän aineen, tähdet ovat vain murto-osa näkyvästä aineesta ja vain murto-osa tähtien energiasta muuttuu aksioneiksi (jos niitä on olemassa).

  6. Lentotaidoton sanoo:

    Kiitos. Niinpä tietysti, en ajatellut kokonaishommaa (olinpa tyhmä). Eli tähtien aksionit (jos niitä on) ovat pimeän aineen kokonaistaloudessa yhtä tyhjän kanssa (mutta hyvä testikohde).

    ”Aksionikentällä, kuten Higgsillä, on oma symmetriansa, joka rikkoutuu kun kenttä asettuu minimiinsä. Aksionikenttä (jos sitä on) on oletettavasti ollut olemassa jo inflaation aikana. Tuo rikkoutuminen on saattanut tapahtua inflaation aikana tai sen jälkeen, ja seuraukset ovat erilaiset.”

    Eli pimeän aineen (mahdollisesti) lähes 100 prosenttisesti muodostavat aksionit ovat syntyneet aksionien oman symmetriarikon aikaan (kentän minimi). Ehdottaako suurin osa teorioista syntyaikaa inflaation aikana? Higgsin kentän minimillä 246 GeV ja aksionikentän minimin välillä siis valtava ero (onhan H-bosoni toiseksi raskain hiukkanen). Jos Higgsin kenttä on mahdollisesti häärännyt inflatonkenttänä, onko aksionikentällä mitään yhtymäkohtia (eli onko joku teorisoinut)?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aksionikentän symmetrian rikkoutumisen ja pimeän aineen suhde on monimutkaisempi (esim. aksionikenttä voi muodostaa säikeitä, jotka myöhemmin hajoava aksionihiukkasiksi, jotka ovat pimeää ainetta), mutta ei siitä ehkä enempää tässä.

      Käsittääkseni aksionikentän symmetrian rikkoutumista pidetään yhtä mahdollisena inflaation aikana kuin sen jälkeen.

      Aksionikenttää on itseäänkin ehdotettu inflatoniksi. Ajatuksena on se, että aksioni on kompleksinen kenttä, ja sen vaihe ratkaisee vahvan CP-ongelman ja amplitudi toimii inflatonina. Tämä on mielenkiintoinen rakennelma.

      Aksioneilla ei ole erityistä poikkeavaa roolia kun Higgs on inflatoni.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        ”Aksioneilla ei ole erityistä poikkeavaa roolia kun Higgs on inflatoni”.

        Ajattelin tässä esim (Enqvistin) kurvatonia ja Higgsiä, jotka ”pelaavat yhteen” inflaation lopussa. Mutta ilmeisesti siis ei.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Se voi olla mahdollista – asiaa on varmaan tutkittukin, mutta en ole perehtynyt aksioni-inflaatioon tarpeeksi.

          Jos Higgs ei ole inflatoni, niin se voi joko istua minimissään tai vaeltaa ympäriinsä kvanttifluktuaatioiden myötä, riippuu inflaation skaalasta kumpi toteutuu. Jos inflaation energiaskaala on liian pieni suhteessa Higgsin massaan, se ei tee mitään kiinnostavaa.

  7. Martti V sanoo:

    Onko aksionin massa peräisin higgs kentästä? Mietin, että Higgs symmetria rikko on saattanut siten antaa sysäysen aksion kenttään inflaation lopussa. Toisaalta kevyiden hiukkasten kuten neutriinojen massan syntymiselle on käsittääkseni teorisoitu vaihtoehtoista tuntematonta kenttää.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei, aksionin massa ei liity Higgsin kenttään.

      1. Martti V sanoo:

        Niin epäilinkin.Standardi mallin mukaan, Higgsin lepomassa on standardi lepomassa. Axionin lepomassa linee samoin, ollessan skalaaribosoni ( ei vektori).

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          En tiedä mitä tarkoitat ”standardi lepomassalla”? Aksioni on pseudoskalaari, ei skalaari, ja sen massa on pieni koska klassisesti se on massaton, vain pienet kvanttikorjaukset saavat sille aikaan massan. Higgsin massan kohdalla asia ei ole näin.

          1. Martti V sanoo:

            Standardimassaa on käyetty epätieteellisesti tarkoittamaan massaa joka on annettu ilman mitään ihmeempää mekanismia. Tosin Kaplan et al. mallissa axionkenttä on lukinnut higgs bosonin massan, joka oli suurempi sitä ennen. Liittyy vuorovaikutusten hierarkiaongelman rakaisun etsimiseen axionkentällä.

  8. Martti V sanoo:

    Erään teorian mukaan axion oli ilmeisesti massaton inflaation aikana, mutta kvarkkien ja gluonien järjestäytyessä (QCD rikko?), sille syntyi pieni massa. Tästä johtuen kvanttifluktiosta heilahdellut kentän vaihe meni nollaan ja vaihtelut periytyivät kentän energiatiheyden vaihteluiksi. Kyseissä symmetriarikkossa taisi inflaatio päättyä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En tunne kyseistä ideaa. Mutta yleensä inflaatio loppuu paljon ennen QCD-transitiota.

  9. Martti V sanoo:

    Idea on kirjasta Physics of the Early Universe vuodelta 1989 . On arveltu myös, että GUT symmetrian rikko olisi aiheuttanut inflaation ja varmasti jokin rikko on aiheuttanut myös päättymisen (viimeistään higgs kentän asettuessa nykyiseesnsä, jossa ehkä axionilla oma osansa ). Voi olla että suositumpia teorioita on jälkeenpäin syntynyt.

  10. Martti V sanoo:

    Onko mahdollisesta axion löydöstä tukea GUT tai säieteoriolle?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Riippuu siitä minkälaisia aksioneja löydetään. Säieteoria on tosin sen verta kaukana havainnoista, että on vaikea nähdä, että mikään havainto tukisi sitä.

  11. Senioriharrastaja sanoo:

    Blogin kategorianimi on Kosmokseen kirjoitettua – kosmologia. Ymmärrän toki, että hiukkasfysiikka liittyy kosmologiaan, mutta harrastajalle sen tutkimus aksioneineen ynnä muine spekulatiivisine alkeishiukkasineen ei aukea. Jos hiukkasfysiikasta pitää kirjoittaa, niin näkisin mieluummin, että blogissa keskityttäisiin silloin saavutettuihin tuloksiin ja niiden yhteyksiin maailmankaikkeuden syntyyn ja rakenteeseen.

    Vielä mieluummin näkisin, että blogi keskittyisi pääasiassa makrokosmokseen ja silloinkin nimenomaan saavutettuihin tuloksiin.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hiukkasfysiikka ja kosmologia ovat tiukasti sidoksissa toisiinsa, kuten aksioneihin liittyvä pimeän aineen ongelma osoittaa.

      Blogissa käsitellään sekä tunnettuja asioita että tutkimuksen etenemistä. Kukin voi toki poimia vain itseä kiinnostavat merkinnät.

  12. Martti V. sanoo:

    Minkälaisia aksiontähdet olisivat? Onko niillä mustanaukon kanssa tekemistä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tarkoitatko mahdollisesti kokonaan aksioneista muodostuvia tähtiä? Ne olisivat oman merkintänsä. Ne eivät ole mustien aukkojen kaltaisia sen enempää kuin tavallisetkaan tähdet.

      1. Martti V. sanoo:

        Aikasemmassa merkinnässä mainitsit aksiontähdistä ja mustista aukoista samassa yhteydessä. Ehkä voi olla pidempi stoori. Mielenkiinnolla odotellaan tuloksia seuraavista aksionkokeista.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Ahaa, aivan, täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/totalitaristinen-periaate-ja-vanhan-ajan-romantiikka/

          Kyse oli siitä, että jotkut mustien aukkojen avulla selitetyt havainnot selittyisivätkin aksionitähtien avulla.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Maastontuntemuksen merkitys

19.6.2020 klo 16.06, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Populaarit uutiset fysiikasta –ainakin hiukkasfysiikasta ja kosmologiasta– ovat usein niin kehnoja, että niitä luettuaan tietää vähemmän kuin ennen. Olen monasti kirjoittanut tiedeuutisoinnin ongelmista yksityiskohtaisesti, kuten täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä.

Tähän surkeaan tilanteeseen on monia syitä. Tutkijoiden (ja heidän yliopistojensa tai tutkimusinstituuttiensa) lehdistötiedotteet ovat usein harhaanjohtavia, mutta toimittajat tuppaavat kohtelemaan niitä vilpittömän puolueettomina yhteenvetoina aiheesta. Lisäksi tiede on laaja kenttä, ja monet aiheet ovat monimutkaisia, minkä takia voi olla vaikea ymmärtää mitä tutkijat sanovat, saati tarkistaa onko se totta.

Yksi toistuva ongelma on se, että uutiseksi nostetaan joku tieteellinen artikkeli irralleen tutkimuskentän viitekehyksestä. Yksittäinen tutkimus on kuitenkin vain puheenvuoro tieteellisessä keskustelussa, ja sen merkitys määrittyy suhteessa muihin tutkimuksiin.

Suurin ongelma ei ole se, tunteeko tutkimuksessa käytettyjä erikoistermejä ja matemaattisia menetelmiä. Niiden osalta asia on yleensä tarvittavilta osin suurelle yleisölle helposti selitettävissä.

Mutta tieteelliseen lukutaitoon kuuluu myös se, että tietää miten tutkimus suhtautuu aiempaan työhön samalta alueelta, millaisia oletuksia tutkimusalueeseen kuuluu ja minne alue sijoittuu tieteen maastossa. Kyse on niin yhteisön kuin tieteen tuntemuksesta, ja tutkijat oppivat hahmottamaan sen toimimalla osana tutkimusyhteisöä. Toimittajilla ei ole juuri muuta mahdollisuutta kuin kysyä asiasta tutkijoilta.

Tiede ei ole pino tietoa johon uudet tutkimukset lisätään päällimmäiseksi, vaan toisistaan riippuvien päättelyiden ja havaintojen verkko. Osa verkon säikeistä tukee pienen tai suuren alueen kasvua aikansa, jotkut luovat yhteyksiä eri alueiden välille, toiset paikkaavat taakse jääneitä aukkoja, monet eivät vie mihinkään.

Tieteen ytimessä on lähestymistapa, jossa kartoitetaan yhtä lailla epävarmuuksia kuin oivalluksia. Luonnontieteissä tämä on tarpeen, koska tutkitaan arkijärjelle vieraita asioita. Inhimillisemmillä aloilla syy on päinvastainen: tutkimuksen kohteista voi olla virheellisiä ennakkokäsityksiä.

Kosmologiassa ja hiukkasfysiikassa tiedeuutisoinnilla on vaikutusta siihen, miten hyvin tutkijoiden saavuttama ymmärrys maailmankaikkeuden perimmäisestä luonteesta välittyy alan ulkopuolisille, sekä varmaankin rahoitukseen.

Ilmastotieteessä panokset ovat korkeammat, koska kansalaisten käsitys aiheesta vaikuttaa poliittisiin päätöksiin, joilla on suuri vaikutus ihmisten elämään. Nyt pandemian aikana sama näkyy lääketieteen kohdalla. Ulkopuolisena on vaikea arvioida miten hyvin uutiset välittävät tutkimuksen kenttää, mutta ei ole harvinaista, että näiltäkin aloilta valikoidaan yksittäisiä artikkeleita tai tutkijoiden puheenvuoroja antamatta tarvittavia tietoja niiden asettamiseen paikalleen.

Yksi ohjenuora tilanteen korjaamiseen olisi se, että toimittajien pitäisi ymmärtää asia, josta he kirjoittavat – ja mikä tärkeämpää, ymmärtää mitä he eivät tiedä, jotta osaavat kysyä. Asiaa auttaa se, jos on jo valmiiksi jonkinlainen käsitys aiheesta, josta on kirjoittamassa. Jos ei ole koskaan ennen tutustunut vaikka kosmologiaan tai epidemiologiaan, ei ole mitään valmiuksia arvioida ja mielekkäästi välittää alan uusia tutkimustuloksia. Tausta tieteessä olisi hyödyksi, mutta hyvään popularisointiinkin tutustumalla pääsee pitkälle.

Esimerkkinä erinomaisesta tiedejournalismista, jossa palikat ovat kohdallaan, voi matematiikan ja luonnontieteiden alalta mainita lehden Quanta.

Tieteen alojen määrä ja merkitys kasvaa koko ajan, ja on syytä tunnustaa, että niistä kirjoittaminen järkevästi vaatii perehtymistä. Tämä tarkoittaa myös sitä, että toimituksen pitää antaa artikkeleiden tekemiseen tarpeeksi aikaa, sen sijaan että toimittajien odotetaan toistavan muiden lehtien juttuja tai yliopistojen tiedotteita ymmärtämättä mistä on kyse.

7 kommenttia “Maastontuntemuksen merkitys”

  1. Jernau Gurgeh sanoo:

    Saitko yllykkeen tämän kirjoittamiseen Ylen uutisesta, jossa kerrottiin mahdollisesta aksionin löytymisestä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En, se oli ihan OK juttu.

  2. Kari Pennanen sanoo:

    Täsmälleen noin. Alkaa kyllästyttää toimittajien tietämättömyys ja se että asiat irrotetaan kontekstista kirjoittajan mielen mukaan. Haastavaa medialukutaitoa ellei ole itsellä kokonaiskäsitystä ja useimmilla ei ole.
    Mitenkähän asian ratkaisisi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Merkinnässä mainittujen asioiden lisäksi voisi auttaa, jos yliopisto järjestäisi tieteellisen lukutaidon kurssin toimittajille. Tämä kuitenkin ratkaisisi vain osan ongelmaa: jos toimittajille ei anneta aikaa perehtyä asiaan, vaan odotetaan kopioivan muiden lehtien uutisia, on heidän vaikea kirjoittaa hyviä juttuja, vaikka valmiudet olisivat hyvät.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        Sehän se. Jollet kirjoita asiasta samana päivänä kuin jokin muu (usein kansainvälinen) taho, niin olet auttamattomasti ”jälkijunassa” (tämähän on jo ”ikivanha”, viimeviikkoinen juttu !!!). Helpointa on kääntää juttu suomeksi ja vain linkittää johonkin ulkomaiseen uutiseen (plus provokatiivinen otsikko). Ja se tiedetään, että se joka kovimmin ja usein epäilyttävän ja hätkähdyttävän kritiikittömästi huutaa, saa lukijakuntaa. Kosmologiakin/hiukkasfysiikkakin alkaa olla parin päivän kestävää market-tarjouskamaa. Tarjousjauheliha on härskiintynyttä jo seuraavana päivänä.

        Itse olen ottanut opiksi periaatteesta: kyselepä mitä sille ja sille ”uutiselle” kuuluu vuoden päästä. Ja useinmiten ei niin yhtikäns mitään.

  3. Martti V sanoo:

    Nyt oli taas oikaistu kirjoitus peilikuvauniversumista CPT symmetriaan perustuen. Vaikka aika kulkee taaksepäin, syy-seuraussuhde eikä entropian luonne eroa meidän kokemasta. Symmetria ennustaisi myös oikeakätiset neutriinot.

  4. Kokemukseni mukaan ihan tavalliset rivitoimittajat kirjoittavat usein yllättävän hyvän jutun: he kysyvät kaiken tutkijalta, koska tietävät että eivät itse tiedä asiasta mitään. Ammattimaiset tiedetoimittajat ovat myös toisinaan hyviä, mutta saattavat tehdä kardinaalimokiakin, jos luottavat liikaa itseensä eivätkä tarkista asiaa tutkijalta.

    Tiedeuutisten seuraamisessa, jos uutinen kiinnostaa, pyrin kaivamaan esiin artikkelin tiivistelmän, koska se on mielestäni lähtökohtaisesti luotettavampi kuin lehdistötiedote. Abstraktihan on lähes aina saatavilla vaikka itse artikkeli olisikin maksumuurin takana.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


On the road to diversity

2.6.2020 klo 17.35, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

My article On the Road to Diversity about the second conference of NORNDiP (Nordic Network for Diversity in Physics) and related equality and diversity topics has been published in the physics and mathematics magazine Arkhimedes 1/2020 (page 16).

Kirjoitin aiheesta suomeksi aiemmin täällä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Etäisiä otoksia

31.5.2020 klo 23.20, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tällä viikolla Durhamin yliopiston hiukkasfysiikan instituutti IPPP järjesti etäkonferenssin RECONNECT (REmote COnference on NEw Concepts in particle Theory). Järjestäjät sanoivat haluavansa vastata kahden c:n (climate change ja corona, ilmastonmuutos ja koronavirus) haasteeseen ja auttaa ylläpitämään hiukkasfysiikan yhteisöä tilanteessa, jossa yhteistyön tekeminen on vaikeutunut.

Etäkonferensseissa on etunsa. Kuten järjestäjät totesivat, osallistumista eivät rajoita rahalliset, poliittiset (kasvava ongelma erityisesti Yhdysvalloissa) tai henkilökohtaisista syistä johtuvat esteet matkustamiselle.

Lisäksi puhujiksi on mahdollista saada tutkijoita laajemmalta alueelta kuin yleensä. Normaalisti esityksen valmistelun ja pitämisen lisäksi puhujalla menee ainakin pari päivää matkustamiseen. Tämän takia konferenssiin ei välttämättä viitsi lähteä elleivät muiden puheet kiinnosta tarpeeksi. Etätapaamisessa puheen voi pitää omassa nojatuolissa, joten RECONNECTiin oli saatu kerättyä laaja kirjo hiukkasfysiikan eri alojen kärkinimiä.

Haittapuoli on se, että etäpuheisiin on vaikeampi keskittyä. Tämän takia ohjelma oli tavallista konferenssia väljempi, tunnin pituisia puheita oli kolme tai neljä päivässä. Esitykset oli ajoitettu siten, että ainakin jotkut ovat sopivaan aikaan riippumatta siitä, missä päin maailmaa on.

Puheiden seuraaminen yhdessä kollegoiden kanssa, jotka ovat eri vuorokaudenajoissa eri puolilla samaa palloa korostaa sekä yhteyttä että etäisyyttä. Hiukkasfysiikassa seremoniaan kuuluu taputtaa puheen loputtua ja uudelleen kysymysten jälkeen, ja tuntuu oudolta niin olla taputtamatta kuin taputtaa yksin.

Yleensä konferensseissa kuuntelen kaikki puheet (paitsi jos niitä on useita samaan aikaan), nyt poimin vain ne, joita pidin erityisen kiinnostavina. Mainitsen tässä vain muutaman otoksen.

Hitoshi Murayama puhui pimeän aineen malleista, joissa pimeän aineen hiukkanen on osa kokonaisuutta, joka on hyvin samankaltainen kuin kvarkkeihin liittyvä värivuorovaikutus. Tämä on vähän samanlainen kuin tekniväri, mutta pienemmillä massoilla, teknivärin hiukkasia kun ei ole kiihdyttimissä näkynyt.

Murayama teki kiinnostavan huomion hiukkasfysiikan ”sosiologiasta”, kuten hiukkasfyysikot tutkimukseen vaikuttavia yhteisöllisiä tekijöitä kutsuvat.

Sen jälkeen, kun hiukkasfysiikan Standardimalli saatiin 1970-luvulla valmiiksi, hiukkasfysiikka kääntyi ratkaisemaan sisäisiä ongelmia. Yritettiin selittää esimerkiksi sitä, miksi Standardimallin energiaskaala on niin paljon pienempi kuin kvanttigravitaation, tai miksi Standardimallista puuttuu yksi mahdollinen vuorovaikutus.

Havainnot toivat pimeän aineen mukaan kuvioihin 70-80-luvun vaihteessa, mutta sitä pidettiin pitkään toissijaisena. Jos malli sisälsi muun muassa pimeää aineen hiukkasen, se oli ehkä mukava pieni lisä. Tutkimusta ajoivat suuret ideat huipulta alas, kuten supersymmetria ja ylimääräiset ulottuvuudet.

Näille ideoille ei ole hiukkaskiihdyttimissä eikä muissa kokeissa löytynyt tukea, eikä pitkään suosituinta pimeän aineen ehdokasta, nynnyä, ole odotuksista huolimatta löytynyt. Toisaalta kosmologiassa on piisannut uusia havaintoja, joita pimeä aine selittää. Niinpä on kysyntää (tai ainakin tarjontaa) uusille pimeän aineen ehdokkaille. Näin pimeä aine on noussut hiukkasfysiikan keskeiseksi kysymykseksi. Nyt pidetään tärkeänä, että mallissa on havaintoihin sopiva pimeän aineen hiukkanen; jos malli liittyy aiemmin tärkeinä pidettyihin teoreettisiin kysymyksiin, niin se voi olla kiva lisä.

Kosmologian ja astrofysiikan vahva asema näkyy siinäkin, että Juan Maldacena, joka tunnetaan parhaiten uraauurtavista teoreettisista oivalluksista gravitaation ja hiukkasfysiikan suhteesta säieteoriassa, puhui mustista aukoista, joilla on magneettinen varaus. Vaikka Maldacena käsitteli mustia aukkoja teoreettisesti, hän korosti niiden mitattavia ominaisuuksia ja pohjusti sen selvittämistä, olisiko niitä todella olemassa ja miten niitä voisi havaita.

Gerardus ’t Hooftin puhe oli spekulatiivisemmasta ja perustavanlaatuisemmasta päästä. ’t Hooft on omaperäinen ajattelija ja hän oli keskeinen hahmo hiukkasfysiikan Standardimallin kehittämisessä. Yhdessä väitöskirjaohjaajansa Martinus Veltmanin kanssa hän osoitti vuonna 1971, että Standardimalli on matemaattisesti ristiriidaton. Kaksikolle myönnettiin työstä Nobelin palkinto vuonna 1999.

’t Hooftista kertoo jotain se, että hän todisti seuraavana vuonna, että värivuorovaikutuksen voimakkuus menee nollaan pienillä etäisyyksillä, mutta piti asiaa niin vähäpätöisenä, että ei viitsinyt julkaista työtään. Tuloksen vuotta myöhemmin julkaisseet David Gross, Frank Wilczek ja David Politzer palkittiin siitä vuonna 2004 Nobelin palkinnolla. ’t Hooft ei ole välittänyt seurata muotia eikä antanut muiden mielenkiinnon määrätä tutkimusaiheitaan. Jotkut hänen ideansa ovat olleet mullistavia, toisten kohtalo on vielä epäselvä.

’t Hooft puhui siitä, miten kvanttimekaniikan taustalla voisi olla deterministinen teoria. Hän on työskennellyt aiheen parissa vuosia, ja on löytänyt kiinnostavia samankaltaisuuksia yksinkertaisten determinististen teorioiden ja kvanttimekaniikan rakenteen välillä. Kvanttimekaniikan kaikkien piirteiden selittäminen ei kuitenkaan ole onnistunut. Tällaisten perusteisiin pureutuvien läpimurtokysymysten pohtimista vaikeuttaa läpimurtoja janoava lyhytjänteinen rahoitusympäristö, eikä moni ’t Hooftin lisäksi asiaa mieti.

Konferenssipuheista saa usein selkeämmän käsityksen siitä, mistä on kyse ja mitä ideoita työn taustalla on kuin tieteellisistä artikkeleista. Tämä toimii myös etäpuheissa, vaikka vuorovaikutus onkin kömpelömpää. Konferenssien sosiaalinen anti on tärkeä, ja kytkeytyy vahvasti tieteeseen. Usein tutkimushankkeet lähtevät liikkeelle puheista kimmokkeensa saaneista epämuodollisista keskusteluista ja väittelyistä. Tämä etätapaamisista puuttuu. Ne ovat kokoelma konferenssin palasia, joiden välistä puuttuu oleellisia osia. Etäkonferensseja on lähiaikoina luvassa lisää, joten näemme miten niiden vahvuuksia opitaan paremmin hyödyntämään ja heikkouksia lieventämään.

5 kommenttia “Etäisiä otoksia”

  1. Eusa sanoo:

    Olen keskustellut t’Hooftin kanssa satunnaistulkinnan korvaamisesta soluautomaattisin tms. keinoin. On yritetty viritellä laajempaa näkökulmakeskustelua perustavasta fysiikasta kvanttilogiikassa, mutta huonolla menestyksellä – aihe tosiaankin kiinnostaa vain erittäin harvoja…

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”’t Hooft puhui siitä, miten kvanttimekaniikan taustalla voisi olla deterministinen teoria.”

    Mielenkiintoinen hypoteesi, koska se käsittääkseni haastaa kavnttiteorian kööpenhaminalaisen tulkinnan, jota Einsteinkaan ei ymmärtänyt.

  3. Lentotaidoton sanoo:

    ”’t Hooft puhui siitä, miten kvanttimekaniikan taustalla voisi olla deterministinen teoria. Hän on työskennellyt aiheen parissa vuosia, ja on löytänyt kiinnostavia samankaltaisuuksia yksinkertaisten determinististen teorioiden ja kvanttimekaniikan rakenteen välillä. Kvanttimekaniikan kaikkien piirteiden selittäminen ei kuitenkaan ole onnistunut. Tällaisten perusteisiin pureutuvien läpimurtokysymysten pohtimista vaikeuttaa läpimurtoja janoava lyhytjänteinen rahoitusympäristö, eikä moni ’t Hooftin lisäksi asiaa mieti”.

    Monet ammattilaisetkin pitävät ’t Hooftia yhtenä maapallomme fiksuimmista ihmisistä. Kuva on muodotunut järjen jättiläisestä joka ei kuitenkaan paljon itseään mainostele (voi tietysti olettaa että ei nobelisti paljon yleisön kehuja muutenkaan kaipaile).

    Uskoisin monien näitäkin blokisivuja seuraavien kuitenkin pyörittelevän omissa vaatimattomissa aivoympyröissään nimenomaan tätäkin problematiikkaa. Kun fysiikka tuntuu junnaavan paikallaan (kvanttigravitaatiosta ei ole haisuakaan – yritelmät Loop Quantum Gravity ja säieteoriat eivät millään vakuuta vuosikymmenien pyörittelystä huolimatta ja Standarditeoriasta ei yleensäkään näytä olevan selvää tietä eteenpäin) niin voitko mitenkään edes ylimalkaisesti kuvailla ’t Hooftin ideoita.

    Luin myös tuon viitauksesi aiempaan. Mihin nimenomaan ’t Hooftin (uusi?) tulkinta/idea näyttäisi kompastuvan – jos se sen tekee. Köpistulkinta, vaikka puutteineenkin, lienee kuitenkin suosituin lähestymistapa ammattilaispiireissä. Kadun jokajätkähän on ilman muuta sitä mieltä että maailma on deterministinen.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Olen viimeksi lukenut ’t Hooftin artikkeleita aiheesta varmaan yli 15 vuotta sitten, pitäisi palauttaa yksityiskohtia mieleen. En tosin ole varma, onko tämä sopiva blogimerkinnän aihe. Katsotaan.

      ’t Hooft ei yritä toistaa kvanttimekaniikkaa (kuten esim. David Bohmin teoria), vaan lähtee syvemmältä. Teorian rakenteessa on samanlaisia piirteitä kuin kvanttimekaniikassa, mutta toistaiseksi siitä ei saa kvanttimekaniikan kaikkia ominaisuuksia oikein. Ei ole selvää, miten vuorovaikutuksia pitäisi kuvata. Näennäinen epädeterminismi ja epämääräisyys selittyy, mutta ei esimerkiksi sitä, miksi Bellin epäyhtälö näyttää rikkoutuvan tismalleen kuten kvanttimekaniikka ennustaa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Seitsemän ennustusta menneisyydestä

16.5.2020 klo 16.37, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kosminen inflaatio on paras selitys sille, miksi maailmankaikkeus näyttää isossa mittakaavassa samanlaiselta kaikkialla ja mikä on rakenteiden, kuten galaksien, planeettojen ja kissojen, alkuperä. Inflaation mukaan varhaisina aikoina avaruuden laajeneminen kiihtyi ja kvanttivärähtelyt jäätyivät rakenteen siemeniksi.

Olen maininnut, että inflaatio on ainoa fysiikan alue, jossa kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria on yhdistetty siten, että on tehty ennusteita joita on onnistuneesti testattu. Inflaatio on siis toistaiseksi ainoa kokeellinen kosketuksemme kvanttigravitaatioon. Avainasemassa ovat havainnot galaksien jakaumasta ja kosmisesta mikroaaltotaustasta. Yksi tärkeimpiä havaintolaitteita on ollut Euroopan avaruusjärjestö ESAn Planck-satelliitti.

Inflaatio tapahtui kenties ensimmäisen sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tienoilla. Saattaa tuntua uskomattomalta, että noin varhaisista ajoista voidaan saada mitään tietoa. Selvennän tässä asiaa käymällä läpi inflaation seitsemän ennustusta.

1. Avaruus on tasainen

Inflaatio ennustaa, että avaruus on keskimäärin hyvin laakea (sen sijaan että se olisi kaareva), eivätkä yhdensuuntaiset viivat kohtaa.

Avaruuden kiihtyvä laajeneminen on kuin suurennuslasi: se venyttää avaruuden osia isommiksi. Jos jotain kaarevaa katsoo tarpeeksi läheltä, se näyttää tasaiselta. Pala Maapalloakin näyttää tasaiselta kun pläntti on tarpeeksi pieni, vaikka Helsingin kokoinen.

Avaruuden tasoittaminen oli yksi alkuperäinen motivaatio inflaatiolle 1980-luvun alussa. Tuolloin havainnot avaruuden kaarevuudesta olivat hyvin epätarkkoja. Nykyisten havaintojen mukaan (ainakin niiden yksinkertaisimmassa tulkinnassa) avaruuden kaarevuus on nolla tuhannesosan tarkkuudella.

Tasaisuus ei ole kovin monimutkainen ennuste: se kertoo vain, että yksi maailmankaikkeutta kuvaava luku on nolla. Inflaation tärkeimmät ennusteet koskevat aineen ja aika-avaruuden epätasaisuuksia, joissa on enemmän yksityiskohtia.

2. Epätasaisuudet ovat lähes samanlaisia kaikissa mittakaavoissa

Kiihtyvä laajeneminen pyyhkii pöydän tyhjäksi aiemmista epätasaisuuksista. Sen aikaiset kvanttivärähtelyt taasen selittävät, miksi näkemämme maailmankaikkeus ei ole aivan tasainen, vailla mitään rakenteita.

Aineessa ja aika-avaruudessa on koko ajan kvanttivärähtelyitä. Inflaation aikana nämä häiriöt venyvät hiukkasfysiikan piperryksestä kosmisiin mittoihin ja niiden värähtely hidastuu lähes olemattomiin. Samalla ne muuttuvat kvanttivärähtelyistä tavallisiksi epätasaisuuksiksi. (Tarkemmin tässä merkinnässä.)

Jäätyneet aallot vain venyvät muotonsa säilyttäen. Samalla koko ajan syntyy, venyy ja jäätyy pienempiä aaltoja. Mitä varhaisemmin aalto syntyy, sitä enemmän se ehtii venyä.

Jos olosuhteet olisivat samat koko inflaation ajan, aaltojen korkeus olisi samanlainen kaikille aallonpituuksille. Inflaation aikana aika-avaruuden kaarevuus kuitenkin vähän laskee. Tämän takia myöhemmin syntyvät (eli lyhyemmät) aallot ovat heikompia, eli niiden korkeus on pienempi.

Aallot pysyvät jäissä kunnes inflaatio loppuu. Sitten ne alkavat hiljalleen värähdellä yksi toisensa jälkeen, pienimmistä alkaen. Kosmisessa mikroaaltotaustassa, joka on valokuva maailmankaikkeudesta 380 000 vuoden ikäisenä, näkyy niin jäätyneitä kuin värähteleviä aaltoja. Siitä on mitattu, että lyhyemmät aallot ovat tosiaan vähän matalampia kuin pitkät, ja suhde vastaa inflaation ennustetta.

Koska kyse on kvanttifysiikasta, jokaisen aallon korkeus itse asiassa määräytyy sattumanvaraisesti, ja on siksi erilainen. Tässä on siis kyse aaltojen tyypillisestä korkeudesta. Mutta inflaatio ennustaa myös sen, millainen aallonkorkeuksien todennäköisyysjakauma on.

3. Epätasaisuuksien jakauma on gaussinen

Kvanttifysiikka kertoo, että inflaatiossa todennäköisyys kunkin aallon korkeudelle on muista aalloista riippumaton ja että todennäköisyysjakauma korkeudelle on kellokäyrän muotoinen. Tällaisia epätasaisuuksia sanotaan gaussisiksi.

Tämä on inflaation parhaiten testattu ennustus: havaitut epätasaisuudet kosmisessa mikroaaltotaustassa ovat gaussisia sadastuhannesosan tarkkuudella.

4. Epätasaisuudet ovat kaikkialla samanlaisia

Kvanttivärähtelyjen kehitys määräytyy niiden ympäristöstä. Koska inflaatio pyyhkii pois kaikki aiemmat epätasaisuudet, avaruus on samanlainen kaikkialla, joten kvanttivärähtelyt ovat samanlaisia joka paikassa ja suunnassa.

Niinpä kvanttivärähtelyistä myöhemmin syntyvät kosminen mikroaaltotausta ja galaksit ovat tilastollisesti samanlaisia kaikkialla. Yksittäiset galaksit ja niiden ryppäät ovat erilaisia, mutta kun katsotaan kuutiota, jonka sivu on vähintään 500 miljoonaa valovuotta, sen sisällä olevat rakenteet ovat keskimäärin samanlaisia olipa kuutio missä tahansa paikassa tai asennossa.

Pienemmässä mittakaavassa gravitaatiosta johtuva klimppiytyminen on piilottanut tämän alkuperäisen samankaltaisuuden. Inflaatio ennustaa myös sen, millaista tämä gravitaatio on.

5. Gravitaatio näyttää samanlaiselta kuin Newtonin teoriassa

Aineen liike gravitaation alla liittyy aika-avaruuden epätasaisuuksiin. Tämä on helppo ymmärtää: jos joka suunnassa olisi samanlaista, ei gravitaatio voisi vetää mihinkään päin. Yleisessä suhteellisuusteoriassa on kolmenlaisia gravitaatiokenttiä, jotka ovat aika-avaruuden kaarevuuden erilaisia ilmentymiä.

Ensinnäkin on samanlainen gravitaatiokenttä kuin Newtonian teoriassa. Mitä isompi on energian tihentymä, sitä isompi on kentän arvo. Tämä kenttä vetää kappaleita toisiaan kohti.

Toisekseen on gravitaatiokenttä, joka syntyy aineen liikkeestä, ja osoittaa aineen nopeuden suuntaan. Tämä kenttä kiertää kappaleita ratoja, sen sijaan että vetäisi niitä kohti massakeskittymiä.

Kolmannekseen on gravitaatioaaltoja, jotka matkaavat valonnopeudella ympäriinsä ja muuttavat etäisyyksiä läpi kulkiessaan.

Inflaatio ennustaa, että gravitaatiokenttä on enimmäkseen samanlainen kuin Newtonin teoriassa ja että liikkeen synnyttämä kenttä on mitättömän pieni. Gravitaatioaaltojen voimakkuus on inflaation mukaan pienempi kuin tavallisen gravitaatiokentän. Tarkka suhde riippuu siitä, miten inflaatio on tarkalleen tapahtunut.

Yksinkertaisimmissa inflaatiomalleissa gravitaatioaaltojen voimakkuus on noin puolet tavallisen gravitaatiokentän voimakkuudesta. Mutta näin voimakkaiden aaltojen vaikutus olisi jo nähty kosmisessa mikroaaltotaustassa. Koeryhmä BICEP2 väittikin vuonna 2014 havainneensa ne, mutta oli väärässä. Joissakin inflaatiomalleissa aallot ovat niin heikkoja, että niitä ei tulla havaitsemaan nähtävissä olevassa tulevaisuudessa.

6. Rakenteen siemeniä syntyy vain varhaisina aikoina

Inflaation mukaan epätasaisuudet ovat syntyneet hyvin varhaisina aikoina, ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana. Sen jälkeen ne ovat vain kehittyneet gravitaation myötä. Tämä vastaa havaintoja.

1980-luvulla inflaation kanssa kilpaili idea, jonka mukaan epätasaisuudet syntyvät kosmisten säikeiden liikkuessa ainepuuron läpi. Säikeet synnyttäisivät epätasaisuuksia jatkuvasti, mikä on ristiriidassa havaintojen kanssa.

7. Epätasaisuudet ovat samanlaisia eri hiukkasille

Kun inflaatio loppuu, sitä ajanut kenttä (ehkä Higgsin kenttä) hajoaa hiukkasiksi. Paikkoihin, missä kenttä on voimakkaampi, syntyy enemmän hiukkasia. Jos kaikki aine on peräisin tästä samasta kentästä, niin näihin paikkoihin syntyy siis enemmän jokaista hiukkaslajia: tavallista ainetta, pimeää ainetta, fotoneita ja neutriinoita.

Tämä koskee varhaista maailmankaikkeutta. Kun tavallinen aine ja pimeä aine myöhemmin tihentyvät gravitaation takia, tilanne muuttuu, koska neutriinot kasautuvat paljon myöhemmin ja valo ei lainkaan.

Havaintojen perusteella varhaisessa maailmankaikkeudessa eri hiukkaslajien kummut ja laaksot todella olivat samoissa kohdissa, noin prosentin tarkkuudella.

Kosmiset säikeet ennustivat päinvastaista. Ne saavat aikaan epätasaisuuksia sekoittamalla eri hiukkaslajeja keskenään, niin että yhden kummussa on toisen laakso.

Inflaatio ei ole teoria eikä malli, vaan tieteellinen idea, josta on olemassa erilaisia toteutuksia. On satoja inflaatiomalleja, joissa on erilaisia kenttiä ja erilaisia gravitaatioteorioita, ja ne ennustavat erilaisia asioita. Lähes kaikkia yllä mainittuja ennusteita voi muuttaa kun tarpeeksi säätää: avaruuden kiihtyvällä laajenemisella voi olla erityinen suunta, aaltojen korkeus voi pienentyä aallonpituuden myötä sen sijaan että se kasvaisi, ja niin edelleen.

Tarkkaan ottaen ei siis pitäisi puhua inflaation ennusteista, ainoastaan inflaatiomallien ennusteista. Tämän takia jotkut ovat arvostelleet inflaatiota epätieteelliseksi. Mutta on tavallista, että onnistuneista ideoista esitetään kaikenlaisia versioita. Yksinkertaisten inflaatiomallien ennusteiden on havaittu pitävän kutinsa kerta toisensa jälkeen, mikä on lisännyt luottamusta ideaan. Inflaatiossa syntyneiden gravitaatioaaltojen löytäminen olisi kirsikka kakun päälle.

Päivitys (18/05/20): Korjattu korkeat-> pitkät.

42 kommenttia “Seitsemän ennustusta menneisyydestä”

  1. Heikki Poroila sanoo:

    Itselleni oli uutta tietoa, että erilaisia inflaatiomalleja on noin paljon. Siitä nousi itselleni seuraava kysymys. Onko kosmologien keskuudessa yleistä näkemystä siitä, käynnistyikö inflaatioksi kutsuttu tapahtumasarja nykyisin tuntemiemme fysiikan lakien olosuhteissa vai saimmeko maailmankaikkeutemme myötä myös ikiomat fysiikan peruslait? Lähinnä ajattelen sitä, vihjaavatko erilaiset inflaatiomallit mahdollisesti jompaankumpaan suuntaan, kuten voisi päätellä ilmaisusta inflaatiota ”ajaneesta kentästä”?

    Samalla kysyisin näkemystäsi siitä, onko termi ”inflaatio” suomalaisittain semanttisesti osuva. Itseäni on aina häirinnyt se, että kosmisesta suurtapahtumasta käytetään samaa termiä kuin mitättömästä rahan laskennallisen arvon vähenemisestä. Onko tämä vain suomalainen ongelma tai ”ongelma”?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jokaisessa inflaatiomallissa, jossa on muita kenttiä kuin tuntemamme Higgsin kenttä, tai jossa gravitaatio on erilainen yleisen suhteellisuusteorian vaniljaversio, on määritelmän mukaisesti uusia fysiikan lakeja, joita emme tunne.

      Inflaatio on paremmasta päästä fysiikan erikoistermejä. Se viittaa nopeaan (hintojen tai avaruuden) kasvuun.

    2. Erkki Kolehmainen sanoo:

      Arvostan Heikki Poroilaa siitä, että hän uskaltaa kirjoittaa täällä omalla nimellään. Nimimerkin takaa on helppo solvata ja kertoa muunneltua totuutta, kun siitä eii joudu vastuuseen. Inflaatiosta tiedetään niin vähän, että ihmettelen, miksei inflaatiomalleja ole enemmän. Niitä voisi olla jopa seitsemän miljardia . jokaiselle ikioma.

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: BICEP2 väittikin vuonna 2014 havainneensa ne, mutta oli väärässä. Joissakin inflaatiomalleissa aallot ovat niin heikkoja, että niitä ei tulla havaitsemaan nähtävissä olevassa tulevaisuudessa.

    Niin muistamme tuon aikoinaan suuria odotuksia herättäneen BICEP2 (hätäisen?) ulostulon. Etelämantereella ei ole kuitenkaan noloina lyöty pillejä pussiin, vaan siellä BICEP ja Keck ovat lyöneet hynttyyt yhteen ja uudet havainnoinnit (parannetuilla vehkeillä) aloitettaneen tänä vuonna (kuudella eri aallonpituudella). Kun ns tensor-to-scalar power ratio 2014 oli 0,15 – 0,27 niin Planckin jälkeen tuo asetettiin teoreettisesti vähintään 0,06:ksi tai vielä selvästi alle sen (uusi BICEP IGW amplitudi 0,005). Tällöin meidän pitäisi saada vihonviimeinen testi inflaation hitaan vierimisen (slow-roll) malleille.

    Lisänä B-mode kilpailuun BICEP/Keck tiimille tulee South Pole Telescope sekä vielä suunnitteluvaiheessa oleva CMB-S4 (next generation CMB Experiment, yli puoli miljoonaa detectoria) myös Etelänavalla.

  3. Erkki Tietäväinen sanoo:

    Sanot kirjoituksesi alussa:”Inflaatio tapahtui kenties ensimmäisen sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tienoilla”.

    Mitä tarkoitat sanomalla ”tapahtui”? Tarkoitatko sillä inflaation alkamishetkeä ? Vai ehkä sen kestoa, koska käytät termiä ”tienoilla”? Jos tarkoitat alkamishetkeä, niin kuin oletan voitko kertoa, miten pitkään kosmisen inflaation, siis valoa nopeamman eksponentiaalisen laajenemisen, on arveltu kestäneen.

    Voitko myös kertoa (ilman viittausta johonkin linkin takana olevaan), mistä oli kulunut tuo ”sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosa”.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Inflaation tarkkaa ajankohtaa eikä kestoa ei tiedetä. Jos havaitaan inflaatiossa syntyneet gravitaatioaallot, niiden korkeus kertoo suoraan kuinka iso oli aika-avaruuden kaarevuus niiden syntyhetkellä, mistä voi päätellä maailmankaikkeuden iän.

      Inflaatio loppuu joskus noin 10^(-38) s ja 10^(-13 s) välillä, luultavasti paljon lähempänä alkupuolta.

      Inflaation kesto riippuu mallista. Tyypillisesti sen pitää olla alkanut vähintään tekijä 50 ennen loppuhetkeä. Jos inflaatio loppuu hetkellä 5*10^(-38) s, sen on siis pitänyt alkaa vähintään hetkellä 10^(-39 s). Mutta inflaatio voi olla kestänyt vaikka 10^8 kertaa pidempään, tai ikuisesti.

      Kellon nollakohta asetetaan tässä yleisen suhteellisuusteorian ennustamaan ajan ja avaruuden alkuun. Koska emme tiedä mitä on tapahtunut ennen inflaatiota eikä yleinen suhteellisuusteoria päde hyvin varhaisina aikoina, emme tiedä onko sellaista alkua todella ollut olemassa.

  4. Erkki Tietäväinen sanoo:

    Kiitos vastauksestasi. Inflaatio on siis kosmologeillekin monella tavalla varsin epämääräinen ilmiö. Siitä huolimatta sen nimeen vannotaan. Sinäkin sanot: ”Kosminen inflaatio on paras selitys sille, miksi maailmankaikkeus näyttää isossa mittakaavassa samanlaiselta kaikkialla ja mikä on rakenteiden, kuten galaksien, planeettojen ja kissojen, alkuperä”.

    Minusta on alkanut näyttää yhä vahvemmin siltä että tämä ihmeellinen Sampo, kosminen inflaatio, on varta vasten kehitelty selittämään maailmankaikkeuden nykytila eikä päin vastoin. Kyllä johtopäätösten tekemiseen näin keskeisessä asiassa tarvitaan monin verroin tarkempaa tietoa (ei siis teoriaa), kuin mitä nykykosmologialla on inflaatioTEORIAN muodossa tarjottavana. Muussa tapauksessa alan kutsua tätä tieteen alaa kosmetologiaksi.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyse ei ole epämääräisyydestä, vaan siitä, että asian yksityiskohtia ei tunneta. Mutta tiedämme selvästi mitä tiedämme ja emme ja miksi.

      Inflaatio (tai inflaation suoraviivaisimmat versiot) on ennustanut (ei vain selittänyt) useita asioita onnistuneesti, kuten merkinnässä käydään läpi.

  5. Martti V sanoo:

    Miksei inflaatio olisi voinut alkaa hetkestä nolla? Nykyiset arviot antavat kuvan, että aivan kuin olisi sitä ennen ollut jokin jakso.
    Onko malleissa esitetty miten aika käyttäytyi inflaation aikana? Onko inflaatio voinut kestää pidempää tai tapahtua jopa nopeammin, jos havainnointi olisi tehty inflaation aikana? Lähes singulariteettiin verrannolissa tilassa aika kuluisi hitaasti.
    Onko plankin yksiköt olleet reunaehtoina malleissa vai onko edes relevanttia olettaa sellaisia olleen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Alkuhetkestä, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/seitseman-ennustusta-menneisyydesta/#comment-7597

      Inflaatiomalleissa aika-avaruuden käyttäytyminen on keskeisellä sijalla. Ei ole mitään absoluuttista aikaa tai kestoa, ajan kuluminen riippuu siitä, miten aika valitaan. (Vähän niin kuin kaksiulotteisella tasolla kappaleella ei ole absoluuttista pituutta x-suunnassa, vaan se riippuu siitä, mikä valitaan x-suunnaksi.)

      Inflaation yksi hyve on se, että kiihtyvä laajeneminen pyyhkii pois tiedon edeltävistä ajoista. Niinpä mahdollinen singulariteetti ajan mahdollisessa alussa tai se mitä tapahtuu Planckin skaalalla ei ole oleellista inflaation kannalta. (Luultavasti: tähän liittyy yksityiskohtia, joita on paljon tutkittu.)

  6. Santeri sanoo:

    ”lyhyemmät aallot ovat tosiaan vähän matalampia kuin korkeat”

    Pitäisikö tässä lukea: ”lyhyemmät aallot ovat tosiaan vähän matalampia kuin _pitkät_” ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tosiaan. Kiitos, korjasin.

  7. Jari Toivanen sanoo:

    Jos universumi, taikka jokin rinnakkaissellainen, olisi sykkivä, niin tapahtuisiko Suuren Kasaanromahduksen yhteydessä inflaatiota vastaten äkillinen deflaatio?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Inflaatio tarkoittaa sitä, että laajeneminen kiihtyy. Ja tarkemmin sillä yleensä viitataan varhaisessa maailmankaikkeudessa tapahtuneeseen kiihtyvään laajenemiseen, ei nykyiseen kiihtyvään laajenemiseen.

      Inflaation vastakohta on siis se, että laajeneminen hidastuu, kuten se on tehnyt inflaation jälkeisestä ajasta noin 8 miljardin vuoden ikään asti; viimeiset noin 6 miljardia vuotta laajeneminen on taas kiihtynyt.

      On pohdittu erilaisia syklisiä maailmankaikkeuksia, joissa romahdus tapahtuu eri tavalla.

  8. Martti V sanoo:

    Inflaatiolla tarkoitetaan yleisesti univesumin alkuhetkien kiihtyvää laajenemista, jonka aiheutti jokin kenttä. Voiko nykyinen kiihtyvä laajeneminen olla saman kentän aiheuttamaa inflaatiota? Välillä on syntynyt massaa ja gravitaatio, jotka ovat vain hidastaneet inflaatiota. Mikä on itseasiassa inflaation lopun paras määritelmä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tätä vaihtoehtoa on tutkittu, ja onhan se mahdollista. Se ei tosin ole erityisen luonteva tai suosittu vaihtoehto, mikä ei tarkoita sitä, etteikö se voisi olla totta.

      Inflaatio tarkoittaa kiihtyvää laajenemista. Se loppui ensimmäisen sekunnin perukoilla, ei vain hidastunut.

      Massa ja gravitaatio eivät ole syntyneet inflaation jälkeen (oikeastaan ”massan syntyminen” ei ole hyvin määritelty termi – pitäisi määritellä, minkä massasta on kyse). Inflaation aikana maailmankaikkeuden energiatiheys oli isompi kuin nyt. Laajeneminen kiihtyi, koska paine oli myös iso ja negatiivinen, ei siksi, että ainetta olisi ollut vähän.

      1. Martti V sanoo:

        Kiitos vastauksesta.

        ”Kun inflaatio loppuu, sitä ajanut kenttä (ehkä Higgsin kenttä) hajoaa hiukkasiksi. ”

        Sain käsityksen, että inflaation aikana ei ollut massallisia hiukkasia (ehkä korkeintaan kevyitä välittäjähiukkasia). Oliko yhteismassa kuitenkin sopivan pieni, ettei universumi romahtanut mustaksi aukoksi inflaation lopussa? Oliko kvarkkeja ja vahva vuorovaikutus erottunut inflaation aikana?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Hiukkaslajeja oli kyllä olemassa, mutta avaruudessa ei ollut juuri muuta ainetta kuin inflaatiota ajanut kenttä (ja mahdollisesti muut kentät).

          En oikein tiedä, mitä tarkoitat yhteismassalla. Alue romahtaa mustaksi aukoksi, jos siellä on tietty määrä massaa pakkautuneena tietyn säteen sisälle. Oleellista ei siis ole massan määrä eikä edes tiheys, vaan massa/säde.

          Viimeistä lausetta en ymmärrä. Erottunut mistä?

          1. Martti V sanoo:

            Jostain lähteestä olen käsittänyt että inflaation lopussa oli äärimmäinen tiheys eli koko universumin energia alle metein säteellä. Eli tiheämpää kuin mikään musta-aukko.

            Yksinkertaisemmin oliko tuolloin vahvaa vuorovaikutusta? Eräissä lähteissä on kuvattu sen erkanneen 10^-35s kohdalla sähköheikosta.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Kuten mainittu, mustan aukon syntymisen kriteeri ei ole tiheys (eli massa/tilavuus), vaan massa/säde.

            Maailmankaikkeuden laajenemisen takia mustia aukkoja ei kuitenkaan muodostu, jos tämä säde on isompi kuin se alue, joka voi viestiä keskenään. Tämä pituus oli varhaisina aikoina paljon nykyistä pienempi, koska inflaation jälkeinen ikä on äärellinen ja valonnopeus on äärellinen.

            Niinpä mustia aukkoja syntyy vain, jos aine on jossain poikkeuksellisen tiheään pakkautunut. Yksinkertaisimmissa inflaatiomalleissa syntyvät tiheysvaihtelut eivät ole tähän tarpeeksi isoja (ennen tähtien syttymistä ja kuolemaa).

            Maailmankaikkeuden laajenemisesta ja tiheyden muutoksista lisää: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sormustimen-verran/

            Mahdollisten varhain syntyvien mustien aukkojen roolista lisää: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/konservatiivisuuden-nokareet/

            On esitetty, että vahva ja sähköheikko vuorovaikutus yhtyvät suurilla energioilla, mutta ei tiedetä onko näin.

  9. Jyri T. sanoo:

    Kiitos Syksylle (jälleen kerran) valaisevasta kirjoituksesta!

  10. Martti V. sanoo:

    Kiitos Syksy tajuntaa laajentavista vastauksista. Tuo Schwarzschildin säde toisiaan on kääntäen verrannollinen valonnopeuden neliöön (liekö edes pädennyt inflaation aikana).

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Valonnopeuden neliö Schwarzschildin säteessä ei tässä ole oleellinen tekijä.

      Ja valonnopeus ei tosiaan kerro, miten nopeasti signaalit etenevät laajenevassa maailmankaikkeudessa. Valonnopeudesta tarkemmin: https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/luonnottomia_lokeroita

  11. Martti V sanoo:

    Jäi vielä kiusaamaan kysymys. Minkä kokoinen universumi oli säteeltään heti inflaation päätyttyä?

    Olettaen että inflaation loputtua laajeneminen rajoittui valonnopeuteen, universumin säde oli massaansa vastaavaa Schwarzschildin sädettä suurempi.

    Jos massa oli jo silloin nykyisen havaitun maailmankaikkeuden kokoluokkaa Schwarzschildin säde olisi ollut 10^10 valovuotta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Maailmankaikkeuden laajenemisesta ja tiheyden muutoksista: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sormustimen-verran/

      Maailmankaikkeuden laajenemisen tahtia ei mitata nopeuden yksiköissä. Tarkemmin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/lahella-ja-kaukana/

      Kuten yllä mainitsin, näkyvän maailmankaikkeuden säteen ei tarvitse olla isompi kuin sen massaa vastaava Schwarzscildin säde (eikä se olekaan).

      1. Martti V. sanoo:

        ”Kun aine syntyi inflaation lopussa, alueen säde oli noin senttimetrin verran … 380 000 vuoden iässä, nyt näkemämme alueen säde oli 50 miljoonaa valovuotta”. Tästä päätelleen laajeneminen ei tosiaan rajoittunut valonnopeuteen inflaation jälkeenkään, mikä ilmeisesti esti romahtamisen. Laajenemisen voima yksinkertaisesti voitti gravitaation.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kuten sanoin, maailmankaikkeuden laajenemisen tahtia ei mitata nopeuden yksiköissä. Ei siis voi sanoa, että maailmankaikkeus laajenisi valoa nopeammin tai hitaammin tai valonnopeudella.

          1. Martti V sanoo:

            Ei yleensä mitata nopeudella mutta, mutta jollain nopeusprofiililla säde on kasvanut oli se sitten epätasaista tai ei tai sitten ei ole mielekästä puhua säteestä. Oletettavasti yhdestä pisteestä laajeneminen on tapahtunut kolmeen tilasimesioon, jolloin voidaan säteestä toki puhua.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Maailmankaikkeuden laajenemistahti on eri asia kuin se nopeus, jolla meille näkyvän alueen koko kasvaa (joka on eri asia kuin se, kuinka nopeasti kohteet etääntyvät meistä). Sen kannalta, romahtaako näkemämme maailmankaikkeuden osa mustaksi aukoksi, sillä miten nopeasti näkemämme alueen koko kasvaa ei ole oleellista.

            Tämä riittäköön tästä, kun on sivussa merkinnän aiheesta.

  12. Helena Othman sanoo:

    saisinko kysyä (vähän OT?) eräästä muistaakseni Nature Briefingin artikkelista jonka mukaan *mahdollisesti* universumin laajeneminen ei olisikaan tasaista, siis sen nopeus vaihtelee eri paikoissa. Onko sinulla jokin kommentti tähän?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Avaruus tosiaan laajenee eri tavalla eri kohdissa. (Tämä oli pitkään pääasiallinen tutkimuskohteeni.) Varhaisina aikoina paikalliset vaihtelut olivat pieniä, sadastuhannesosan luokkaa, mutta nyt ne ovat suurimmillaan 100%.

      Galaksit ja muut gravitaation sitomat kohteet eivät laajene ollenkaan, ja harvemmat alueet, joissa on vähemmän ainetta, laajenevat keskivertoa nopeammin.

  13. Helena Othman sanoo:

    kiitos, jollain tavalla tosi mielenkiintoista…

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hyvin mielenkiintoista tosiaan.

  14. Helena Othman sanoo:

    Saisinko esittää vielä täydennyskysymyksen (toivottavasti osaan muotoilla sen..)
    Siis, onko kyseessä jokin tuntematon vaikuttaja x erilaisiin laajenemisvauhteihin, vai onko laajenemistahti aina sama esimekriksi alueilla joissa on keskimäärin saman verran ainetta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Laajenemisnopeus määräytyy aineen jakaumasta. Karkeasti sanottuna laajeneminen hidastuu sitä enemmän, mitä isompi aineen tiheys on (koska aineen osaset vetävät toisiaan puoleensa). Kun aine kasautuu klimpeiksi ja suurin osa tilavuudesta jää harvoiksi onkaloiksi, laajenemisnopeus eri alueissa muodostuu hyvin erilaiseksi.

  15. Helena Othman sanoo:

    Hm, oliko inflaation alkutilanne siis olematon pieni klimppi kvanttifluktuaatiota ja gravitaatio (jossain muodossa)? Mutta sen kauemmas taaksepäin on vaikea tietää?
    Eli onko gravitaatio kuitenkin aika-avaruuden ominaisuus? Entä kvanttifluktuaatio? Voiko tyhjiöenergia olla olemassa ’ennen alkuräjähdystä’?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei tiedetä mitä tapahtui ennen inflaatiota tai miten inflaatio sai alkunsa.

      Gravitaatiossa on on kyse aika-avaruuden kaarevuudesta: http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kaareuden_kietoutumista

      Ilmaisusta ”ennen alkuräjähdystä”, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/takaisin-alkuun/

      1. Helena Othman sanoo:

        Kiitos taas, tuo keskustelu big bang versus alkusingulariteetti – käsitteistä oli valaiseva!

  16. Martti V sanoo:

    Onko hologramisen universumin teoriat vaihtoehtoisia inflaatiolle?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Eivät varsinaisesti. Holografia on laajempi idea, jota on sovellettu erilaisissa yhteyksissä.

  17. Helena Othman sanoo:

    Saako kysyä vielä yhden ootee kysymyksen; kun tila kaareutuu, kaareutuuko tila vai sen sisältö? Sehän on hiukan, noh metafyysiista jos tila itsessään kaareutuu.(Olen kysynyt tätä random foorumeilta ilman oikein tyydyttävää vastausta, heh).

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Jälleen fysiikkaa runoilijoille

12.5.2020 klo 16.18, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luennoin taas kurssin Fysiikkaa runoilijoille, alkaen 1. syyskuuta. Ilmoittautuminen opiskelijoille aukeaa kesäkuun lopulla, mutta kurssille ovat tervetulleita myös Helsingin yliopiston ulkopuoliset.

Kurssin tarkoituksena on avata fysiikan käsitteitä ja maailmankuvallista merkitystä. Käsittelytapa on kvalitatiivinen ja keskusteleva. Aiheisiin kuuluu Newtonin klassinen mekaniikka, suppea suhteellisuusteoria, yleinen suhteellisuusteoria, kvanttimekaniikka, kvanttikenttäteoria ja hiukkasfysiikka, kosmologia sekä yritykset kohti kaiken teoriaa. Tieteen historiaa ja filosofiaa käsitellään vähän.

Olen aiemmin luennoinut kurssin vuosina 2016 ja 2019. Lisäsin kurssin sivuille kurssin käyneiden antamia neuvoja tuleville kurssilaisille, niistä näkyy hieman miten opiskelijat kurssin kokivat. Kirjoitin vuoden 2016 kurssin palautteesta laajemmin täällä.

4 kommenttia “Jälleen fysiikkaa runoilijoille”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Kävin lukemassa nuo edellisen kurssin opiskelijoiden kommentit, Siellä oli mm. tämä: ”Tieteelliseen maailmankuvaan on vähitellen siis tarttumassa ajatus siitä, että ihmisen havaintokyvyn ulkopuolella olevat asiat selittävät todellisuutta parhaiten.”

    Siis esim. transkendenttinen jumala selittää fysiikkaa paremmin kuin kokeet? Eikö parempi nimi kurssille olisi Fysiikkaa mystikoille tai metafyysikoille.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jumalan kanssa tällä ei ole mitään tekemistä. Jatkossa en enää julkaise jumalatrollailukommenttejasi.

      Siirtymä ihmisen havaintokyvyn tuonpuoleisten asioiden rationaaliseen ja empiiriseen käsittelyyn tapahtui 1600-luvulla, ks. esim. tämä kirjoitus.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/lyijya-ja-painoja/

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Kuten jo aiemmin huomautin, en ole anonyymi trolli. Jos tuo mainitsemasi siirtymä on tapahtunut, miksi esim. pimeän aineen hiukkasista etsitään edelleen kokeellisia havaintoja? Minä puolestani väitän, ettei tuota siirtymää ole koskaan tapahtunut. Kaikki fysiikan tutkimuslaitteet mm. LHC on rakennettu sen vuoksi, että se tuottaisi dataa ihmisen havaintokyvyn alueelle hiukkasista, jotka ovat liian pieniä nähtäviksi. Fyysikko katselee kiihdyttimen antamaa törmäysdataa silmillään. Tai hän voi analysoida sitä tietokoneella, mutta viime kädessä senkin tuloksen analyysi perustuu visuaaliseen havaintoon. Teoreettinen fysiikka vailla mitään yhtymäkohtaa havaintomaailmaan on saman arvoinen kuin tuhannen ja yhden yön tarut.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tässä oli kyse asioista, joita ihminen ei voi itse aisteillaan suoraan havaita. Kuten tuosta merkinnästäkin käy ilmi.

          Tämä riittäköön tästä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Huippujen laskeminen

29.4.2020 klo 16.06, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Oikeakätinen neutriino on kenties yksinkertaisin ehdokas pimeän aineen hiukkaseksi. Viime kuussa kirjoitin oikeakätisen neutriinon yhteydestä siihen kysymykseen, miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antiainetta. Tulin kommenteissa maininneeksi, että oikeakätisen neutriinon massalle on yläraja siitä, että se voi hajota tavalliseksi neutriinoksi ja röntgensäteeksi, eikä tällaista säteilyä ole nähty.

Kommenttini sattuikin olemaan sikäli ajankohtainen, että Science-lehdessä julkaistiin viisi päivää sen jälkeen artikkeli (tässä ilmainen versio), jonka pääsisältö on juurikin se, että tuota neutriinoiden hajoamissäteilyä ei ole havaittu. Kaksi ja puoli viikkoa myöhemmin puolestaan julkistettiin kaksi sitä arvostelevaa artikkelia. Selvitän tässä tilannetta, mutta tiivistettynä vastaus kysymykseen siitä, onko pimeän aineen säteilyä havaittu on ”ehkä”.

Jos pimeän aineen hiukkanen voi hajota, siitä syntyvää säteilyä pitäisi tulla joka puolelta, koska pimeää ainetta on kaikkialla. Säteilyä pitäisi tulla sitä enemmän, mitä isompi pimeän aineen tiheys on. Niinpä kirkkaimmin pimeydestä hohtaisivat sellaiset paikat kuin Linnunradan keskusta ja galaksiryppäät.

Valitettavasti siellä, missä on eniten pimeää ainetta on myös eniten tavallista ainetta. Suurin pulma on pimeän aineen säteilyn erottaminen tavallisen aineen säteilyn seasta. Tämä ongelma on riivannut myös muiden pimeän aineen hiukkasiksi tarjottujen ehdokkaiden annihilaatiossa syntyvän signaalin etsimistä.

Syynäämistä helpottaa se, että hajoamisessa tai annihilaatiossa syntyvillä hiukkasilla on aina sama energia. Jos oikeakätinen neutriino hajoaa neutriinoksi ja fotoniksi, kummankin energia vastaa puolta neutriinon massasta. Niinpä taivaalla näkyvän säteilyn energiajakaumassa pitäisi näkyä terävä piikki.

Useimpien tähtitieteellisten kappaleiden ja ilmiöiden –vaikkapa neutronitähtien törmäysten– lähettämän säteilyn kirkkaus riippuu melko tasaisesti energiasta kuin nouseva tai laskeva mäki, siinä ei ole kapeita piikkejä eikä kuoppia. Poikkeuksena ovat yksittäiset atomit, joiden energia on kvantittunut, eli ne lähettävät valoa vain tietyillä energioilla.

Oikeakätisten neutriinojen etsimiseen taivaalta on siis periaatteessa yksinkertainen resepti: mitataan röntgensäteitä, siivotaan pois tasaisesti energiasta riippuva tausta ja atomien tunnetut energiapiikit. Jos jäljelle jää energiapiikki, on löydetty pimeää ainetta. Säteilyn energia kerrottuna kahdella kertoo sitten pimeän aineen hiukkasen massan. Säteilyn kirkkaudesta voi puolestaan päätellä hiukkasen eliniän, jos tietää pimeän aineen tiheyden. Mitä lyhytikäisempi hiukkanen, sitä useammin niitä hajoaa, joten sitä enemmän säteilyä tulee.

Reseptin seuraaminen ei käytännössä ole aivan helppoa. Viime viikkoina esille nousseen kiistan juuret ovat vuoden 2014 havainnoissa. Silloin kaksi ryhmää kävi läpi galaksiryppäistä ja Andromedan galaksista tehtyjä röntgensädehavaintoja. Eri kohteissa näkyi energiahuippu, joka ei vastaa mitään atomien lähettämää valoa ja sopii hyvin oikeakätisen neutriinon odotettuun massaan. Lisäksi eri teleskooppien havainnot olivat yhteensopivia. Säteilyn kirkkaus vieläpä sopi pimeän aineen odotettuun tiheyteen ja oikeakätisen neutriinon mahdolliseen elinikään. Havaintojen mukaan oikeakätisen neutriinon elinikä olisi 10^27 sekuntia, eli kymmenen miljardia kertaa pidempi kuin maailmankaikkeuden ikä. (Koska hiukkasia on paljon, osa niistä silti hajoaa koko ajan.)

Signaali oli kuitenkin heikko, kirkkaus oli huipussaan vain prosentin taustaa korkeammalla. Lisäksi esitettiin erilaisia tähtitieteellisiä selityksiä huipun alkuperälle. Tulkintaa vaikeutti se, että röntgenteleskoopit eivät pystyneet mittaamaan energiaa tarpeeksi tarkkaan tehdäkseen eroa terävän piikin ja vähän leveämmän huipun välillä. Niinpä jäätiin odottamaan uusia havaintoja, jotka voisivat varmistaa tai kumota piikin olemassaolon ja alkuperän.

Nyt maaliskuussa julkaistussa Science-lehden artikkelissa onkin kokonaisen vuoden verran uusia röntgenhavaintoja Linnunradasta. Tutkijat katsoivat Linnunradan sellaisia suuntia, joissa taivas on mahdollisimman tyhjä, jotta tavallisesta aineesta syntyvää säteilyä olisi mahdollisimman vähän. He eivät löytäneet mitään energiapiikkiä. Tästä he päättelivät, että pimeä aine ei ole oikea selitys aiemmille havainnoille galaksiryppäistä ja Andromedasta, koska silloin myös näissä Linnunradan havainnoissa olisi pitänyt näkyä huippu.

Tässä vaiheessa mainittakoon, että vaikka Science ja Nature ovat maailman arvostetuimpia tiedelehtiä, kosmologiassa niille vähän naureskellaan. Näihin lehtiin halutaan erityisen tärkeitä tuloksia ja läpimurtoja, mikä johtaa (ainakin kosmologiassa) siihen, että niissä julkaistaan suureelliseen kuosiin puettua vakiotavaraa sekä liian kauas kurottavia ja siksi virheellisiä tuloksia.

Niin ilmeisesti nytkin. Kaksi ja puoli viikkoa Sciencen artikkelin ilmestymisen jälkeen (se oli sitä ennen ollut yli vuoden saatavilla arXiv-nettiarkistossa) jälkeen kahdessa kommentissa huomautettiin vakavista puutteista.

Science-artikkelin kirjoittajat vertasivat analyysissään kahta vaihtoehtoa: onko energiajakauma tasainen vai onko tasaisen jakauman päällä yksi huippu? Näistä tasainen jakauma ilman huippua sopii havaintoihin paremmin. Havaitulla energia-alueella on kuitenkin kaksi tunnettua atomeista syntyvää energiahuippua. On siis mielekkäämpää verrata seuraavaa kahta vaihtoehtoa: tasainen jakauma plus kaksi huippua vai tasainen energiajakauma plus kolme huippua?

Käyrä, jossa on kolme huippua sopii havaintoihin selvästi paremmin kuin sellainen, jossa on vain kaksi huippua tai ei yhtään. Science-artikkelin kirjoittajat eivät siis onnistuneet löytämään taivaalta tarpeeksi tyhjää aluetta, etteikö siellä hehkuvia atomeita lymyäisi. Sitten he olivat luulleet kolmea matalaa vierekkäin olevaa huippua tasaiseksi käyräksi.

Kolmannen huipun paikka ja korkeus sopii hyvin yhteen aiempien havaintojen kanssa. Havaintojen tarkkuus ei kuitenkaan vieläkään riitä pimeän aineen selityksen varmistamiseen tai kumoamiseen. Tarvitaan parempia laitteita.

Japanin avaruusjärjestö JAXA laukaisi helmikuussa 2016 Hitomi-satelliitin, jonka laitteiden joukossa oli erittäin tarkka röntgenteleskooppi. Hitomin odotettiin ratkaisevan ongelman hyvin nopeasti. Ohjelmisto- ja laiteongelmien takia satelliitti kuitenkin tuhoutui kiertoradalla maaliskuussa 2016 ennen mittausten aloittamista. JAXA lähettää yhdessä Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASAn ja Euroopan avaruusjärjestö ESAn kanssa lähivuosina taivaalle XRISM-teleskoopin, joka korvaa Hitomin. Tuloksia odotetaan suurella mielenkiinnolla.

Oikeakätisten neutriinojen metsästykseen suunnitellaan myös hiukkaskiihdytinkokeita. Jos jotain löytyy taivaalta tai maan päältä, toisella saralla voidaan varmistaa ensimmäinen havainto täysin riippumattomasti – tai osoittaa, että jotain on taas tulkittu väärin.

22 kommenttia “Huippujen laskeminen”

  1. Eusa sanoo:

    Entäpä vasenkätinen antineutriino? Eikös silloin uskota siihenkin, jos oikeakätiseen neutriinoon?

    Tällä haavaa kai näyttää siltä, että oikeakätisyys ja antineutriinous voivat olla kytkennällinen välttämättömyys, vai kuinka?

    Kaikki todentamaton on uskonvaraista.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Jos on olemassa oikeakätisiä neutriinoita, on tosiaan olemassa myös vasenkätisiä antineutriinoita.

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: Science-artikkelin kirjoittajat eivät siis onnistuneet löytämään taivaalta tarpeeksi tyhjää aluetta, etteikö siellä hehkuvia atomeita lymyäisi.

    Tulee mieleen taannoinen (2014) kohu-uutinen siitä että BICEP2-tutkimus väitti löytäneensä mikroaaltotaustasta varhaisen kosmoksen gravitaatioaaltojen polarisaatiokuvion. No kuvio oli totta, mutta se tuli Linnunradan pölystä.

    Tällöinkin tutkimuksessa etsittiin nimenomaan tarpeeksi ”tyhjää” aluetta Linnunradasta. Planckin karttaa Linnunradasta oli esikatseltu ei-riittävän huolellisesti.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Vähän samanlainen tarina tosiaan, vaikka tässä tapauksessa itse datan suhteen oltiin huolellisempia.

      BICEP2:n tapauksessahan alue valittiin Planckin ryhmän jäsenen pitämässä esitelmässä näyttäneestä kuvasta otetun valokuvan perusteella, ymmärtämättä oikein mitä kuvassa oli.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Sanottakoon, että jo vuoden 2014 havainnoissa käytettiin dataa taivaan keskivertoa tyhjemmistä alueista. Silloin niillä tuettiin sitä, että uusi piikki ei ole laitteeseen liittyvä virhe (koska sitä ei näkynyt taivaan tyhjemmässä osuudessa, toisin kuin Andromedan ja galaksiryppäiden suunnassa). Mutta nyt dataa oli enemmän, niin että siinä näkyi piikki.

        1. Kari O sanoo:

          Eikös ole niin, että jos taivaalla on ns. tyhjä alue, siellä on myös vähemmän pimeää ainetta?

          Tältä pohjalta koko esitetty periaate näyttää hiukan oudolta.

          Tietääkseni on niin, että esim. galaksit syntyvät, pysyvät koossa ja pyörivät tasaisesti juuri sen takia, että ne ovat syntyneet pimeän aineen massakeskittymiin.

          1. Syksy Räsänen sanoo:

            Pimeän aineen ja tavallisen aineen jakauma Linnunradassa on erilainen. Pimeä aine on mallien mukaan jakautunut pallomaisesti, näkyvässä aineessa on paljon isompia klimppejä ja enemmän rakennetta, esimerkiksi haarat.

            Kirjoitin merkinnässä kyllä näin: ”siellä, missä on eniten pimeää ainetta on myös eniten tavallista ainetta”. Tämä pitää paikkansa: tavallisen aineen tiheys on isoin Linnunradan keskustassa, kuten myös pimeän aineen tiheys. Tämä ei ole ristiriidassa sen kanssa, että taivaalla on suuntia (poispäin keskustasta ja haaroista), joissa tavallisen aineen ja pimeän aineen suhde on keskivertoa pienempi.

  3. Matti sanoo:

    Tässä tuli mieleen aihetta vain vähän sivuava kysymys:
    Olettamukset:
    1. Pimeä aine vuorovaikuttaa huonosti tavallisen materiaalin kanssa
    2. Pimeä aine noudattaa gravitaatiolakeja
    Näistä seuraa, että
    3. Pimeä aine putoaa massakeskittymiin, esim. tähtiin, mutta poistuu samalla nopeudella kuin saapuikin
    4. Kysymys: Entä mitä tapahtuu kun pimeä aine putoaa mustaan aukkoon?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kohdat 1-3 menevät tosiaan noin. Tosin se, että pimeä aine joskus vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa johtaa siihen, että osa siitä törmäilee tähtien aineen kanssa, menettää energiaa ja jää niihin vangiksi. Tähdissä saattaa siis olla pimeän aineen ydin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/pimea-sydan/

      Jos pimeää ainetta putooa mustaan aukkoon, sille käy samalla tavalla kuin tavalliselle aineelle.

      1. Matti sanoo:

        Ilmeisesti pimeä aine ei lähetä säteilyä kertymäkiekosta?
        Luulisi että sitä on tutkittu?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Mustaa aukkoa kiertävä ainekiekko vaikuttaa ehkä huonoimmalta mahdolliselta paikalta etsiä pimeän aineen säteilyä, kun sieltä tulee monenlaista tavallisen aineen säteilyä paljon, ja aine liikkuu eri nopeuksilla, niin että spektriviivoja on vaikea erottaa.

  4. Martti V sanoo:

    Ilmeisesti steriilit neutriinot eivät vaikuta materiaan edes heikon vuorovaikutuksen kautta, mutta pystyvät törmäämään ja menettämään energiaa. Eikö tähän tarvita jotain vuorovakutusta? Onko oletettavaa, että vastaavia antihiukkasia esiintyy pimeässä aineessa ? Voitaisiinko annihilaatio havaita?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Steriilien neutriinojen ainoat vuorovaikutukset (gravitaatiota lisäksi) on se, että ne voivat muuttua toisiksi neutriinoksi sekä hajota neutriinoksi ja fotoniksi.

      Ne eivät siis törmäile. Pimeän aineen jakauma galakseissa onkin erilainen kuin tavalliseen aineen juuri siksi, että pimeä aine ei pysty törmäilemään ja siten menettämään energiaa.

      Oikeakätisillä neutriinoilla ei ole annihilaatiosignaalia. Karkeasti sanottuna tämä johtuu siitä, että ne ovat omia antihiukkasiaan, kuten fotonit. (Oikeasti selitys on vähän monimutkaisempi.)

      1. Martti V sanoo:

        Eli steriliinin neutronin tapauksessa pimeitä tähtiä ei syntyisi, mutta kasvattavattavat mustia aukkoja. Muutenkaan ne eivät ilmeisesti kasaannu keskenään.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Aivan. Kasaantuvat vain sen verran, minkä gravitaatio vetää. Eli niistä muodostuu isoja ja harvoja tihentymiä, kuten se, missä Linnunrata istuu. Galaksien sisällä on myös pienikokoisempia tihentymiä, mutta ei mitään tähtiin verrattavaa.

  5. Lentotaidoton sanoo:

    Tässä Suomen kielellä: Neutriinojen sekoitusmatriisin Majorana-vaiheet Hannu Hakalahti 2013
    https://jyx.jyu.fi/bitstream/handle/123456789/41303/URN:NBN:fi:jyu-201305031552.pdf?sequence=1

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tuossahan on mukava historiaosuuskin.

  6. Jyri T. sanoo:

    Kiitos Lentsikka hyvästä vinkistä!

  7. Martti V sanoo:

    Tenkanen esitti viime vuoden puolella, että hiukkasfysiikan kokeissa olisi pitänyt jo näkyä merkkejä pimeästä aineesta, mikäli se olisi jäännettä alkuräjähdyksestä. Onko myös steriilistä neutriinosta odotettu tuloksia kokeissa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Siitä, mitä Tenkanen esitti, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/takaisin-alkuun/

      Tämä merkintä (sekä edellinen https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vasemmalta-oikealle/) käsittelee juurikin sitä, millaisia merkkejä steriilistä neutriinosta odotataan kokeissa.

      1. Martti V sanoo:

        Tenkasen teksti oli hyvin perattuna.

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

        Lähinnä hain mitä signaaleja voisi löytyä, jos hajoaminen on ainoa vuorovaikutus ja onko niitä odotettu näkyvänkään.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tässä ja aiemmassa merkinnässä mainitut röntgensäteet esimerkiksi.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kuin putoava kivi

18.4.2020 klo 14.31, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Aika-avaruutta kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian ja ainetta kuvaavan kvanttifysiikan yhdistäminen on fysiikan kenties suurin avoin kysymys. Ongelman kokonaisuuden kanssa ei tiedetä edes, ollaanko menossa oikeaan suuntaan, mutta kahdesta asiasta on melko vankalla pohjalla oleva ennuste.

Vuosina 1974-75 Stephen Hawking osoitti, että mustan aukon luona kvanttikentät säteilevät ulospäin. Vaikka tähtien romahduksessa syntyneitä mustia aukkoja on havaittu, niiden Hawkingin säteily on sen verta heikkoa, että sitä tuskin tullaan ikinä mittaamaan.

Toisaalta joukko tutkijoita –kärjessä Vjatseslav Mukhanov ja V.G. Chibisov– hahmotti 1980-luvun alussa, että varhaisessa maailmankaikkeudessa kosmisen inflaation aikana aika-avaruudessa on kvanttivärähtelyitä, jotka jäätyvät paikalleen. Näin syntyy pieniä epätasaisuuksia maailmankaikkeuden aineessa. Ne toimivat galaksien, planeettojen ja kaiken muun rakenteen siemeninä gravitaation kasvattaessa tihentymiä.

1980-luvulla kosminen inflaatio oli yksi spekulaatio muiden joukossa. Inflaatio kuitenkin eroaa Hawkingin säteilystä siinä, että sitä on 90-luvulta alkaen kokeellisesti testattu. Inflaatio ennustaa millaisia kvanttivärähtelyt ovat, ja kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ja galaksien jakauma taivaalla vastaavat ennusteita monin tavoin.

Periaatteessa kuitenkin jokin muu tapahtuma voisi rypyttää maailmankaikkeutta samalla tavalla. Luottamusta inflaatioon lisäisi se, jos saisimme osoitettua, että rypyt ovat tosiaan peräisin kvanttivärähtelyistä.

Kvanttifysiikassa todellisuus on epämääräinen: esimerkiksi hiukkasilla ei ole määrättyä paikkaa, ainoastaan todennäköisyys olla eri paikoissa. Mitä tarkemmin hiukkasen paikka on määrätty, sitä epämääräisempi sen nopeus on, ja toisinpäin. Klassisessa fysiikassa sen sijaan hiukkasella on koko ajan sekä määrätty paikka että nopeus.

Arjen esineillä todennäköisyys olla yhdessä tietyssä paikassa ja liikkua tietyllä nopeudella on hyvin iso ja todennäköisyys olla missään muualla ja liikkua millään toisella nopeudella hyvin pieni, eli ne näyttävät käyttäytyvän klassisen fysiikan mukaan. (Ei tosin oikein ymmärretä miksi.) Mutta pienessä mittakaavassa –ja varhaisessa maailmankaikkeudessa– epämääräisyys on merkittävää.

Kosmisesta inflaatiosta on vastuussa jokin kenttä –ehkä Higgsin kenttä, ehkä joku toistaiseksi tuntematon kenttä– joka panee avaruuden laajenemaan kiihtyvällä nopeudella.

Kuten hiukkasen paikalla, kentän voimakkuudella ei ole yhtä määrättyä arvoa, vaan eri arvoja eri todennäköisyyksillä. Tätä arvojen epämääräisyyttä sanotaan kvanttivärähtelyiksi. Kun kentän voimakkuudesta tulee määrätty (ei tiedetä miten tämä tapahtuu), sen arvot eri paikoissa määräytyvät tämän todennäköisyysjakauman mukaan. Inflaation lopussa hajoaa tavalliseksi aineeksi, ja paikoissa, joissa kentän arvo on isompi, syntyy enemmän ainetta, ja niihin kehittyy galakseja. Inflaatiota ajaneen kentän arvojen todennäköisyysjakauma on siten painettu galaksien jakaumaan, ja myös kosmiseen mikroaaltotaustaan.

Nopeus, jolla kentän arvo muuttuu inflaation aikana, on sekin epämääräinen. Kentän muutosnopeus liittyy kentän arvoon samalla tavalla kuin hiukkasen nopeus liittyy hiukkasen paikkaan: mitä määrätympi on yksi, sitä epämääräisempi on toinen.

Inflaation aikana todennäköisyys pusertuu siten, että kentän arvosta tulee yhä tarkempi ja muutosnopeudesta yhä epämääräisempi. Samalla kuitenkin kentän arvo määrää muutosnopeuden yhä tiukemmin, eli ne ovat yhä vahvemmin kytköksissä.

Tämä ei ole ristiriitaista, vaikka siltä voi aluksi tuntua. Tilannetta voi verrata korkealta pudotettuun kiveen. Jos tietää, missä kohtaa kivi on, tietää tarkasti myös sen nopeuden, jos tuntee gravitaation ja ilmanvastuksen. Mutta nopeuden tietäminen ei anna yhtä tarkkaa tietoa kiven paikasta sen pudottua jonkin aikaa, koska ilmanvastuksen takia nopeus on alkuvaiheen jälkeen melkein sama paikasta riippumatta. Siis pieni muutos paikassa ei juuri vaikuta nopeuteen, mutta pieni ero nopeudessa tarkoittaa hyvin erilaista paikkaa.

Klassisessa fysiikassa paikalla ja nopeudella on tarkasti määrätty arvo, eli jos tietää yhden tismalleen, niin tietää toisenkin tismalleen. Mutta jos molemmilla olisi vain todennäköisyysjakauma, ja paikan todennäköisyys olisi keskittynyt yhteen arvoon, niin nopeuden todennäköisyysjakauma olisi hyvin lavea. Juuri näin käy inflaatiossa kentän arvon ja muutosnopeuden suhteen. Kentän nopeus lähestyy vakiota kuin putoavan kiven nopeus, joten pieni muutos kentän arvossa johtaa isoon muutokseen nopeudessa.

Kvanttioptiikan tutkijat kutsuvat tällaista systeemiä erittäin kvanttimekaaniseksi, koska se näyttää hyvin erilaiselta kuin klassinen systeemi, jossa paikka ja nopeus ovat suunnilleen yhtä epämääräisiä. (Gravitaatioaaltojen havaitsemisessa muuten käytetään fotoneita, joiden todennäköisyys on tällä tavoin puristunut.)

Kosmologit sen sijaan kutsuvat tällaista systeemiä klassiseksi. Tämä johtuu siitä, että kun mitataan kentän arvo, tiedetään myös sen muutosnopeus aika tarkkaan, eli näyttää siltä kuin molemmilla olisi määrätty arvo, kuten klassisessa fysiikassa. Jos mitattaisiin kentän nopeus, tilanne olisi tietysti toinen, mutta kentän nopeudesta ei jää jälkiä galaksien jakaumaan ja mikroaaltotaustaan, toisin kuin sen arvosta.

Kaiken kaikkiaan tulos on turhauttava: kvanttiefektit ovat inflaation aikana merkittäviä, mutta niiden todentaminen on hankalaa.

Ei kuitenkaan tiedetä tarkkaan, miten inflaatio on tapahtunut, ja on esitetty inflaatiomalleja, joissa kentän kvanttiluonteesta jää galaksien jakaumaan ja kosmiseen mikroaaltotaustaan leima. Toistaiseksi nämä mallit ovat melko koukeroisia, eikä niitä ole tarkoitettu realistisiksi, vaan osoittamaan, että on periaatteessa mahdollista mitata rakenteen siementen kvanttiluonne taivaalta, ja ideat kehittyvät koko ajan.

Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten hedelmällisistä tutkimussuunnista löytyy usein yllättäviä yhteyksiä ja tuoreita tuloksia. Inflaatio kehitettiin vuonna 1980 selittämään, miksi maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta kaikissa suunnissa. Tuskin kukaan arvasi, että tähän kysymykseen vastaaminen johtaisi siihen, miten todellisuuden kvanttiluonteen voi mitata taivasta katsoen – ja ehkä myös siihen, miksi maailmankaikkeuden tila nykyään näyttää määrätyltä eikä epämääräiseltä.

19 kommenttia “Kuin putoava kivi”

  1. Lentotaidoton sanoo:

    (Gravitaatioaaltojen havaitsemisessa muuten käytetään fotoneita, joiden todennäköisyys on tällä tavoin puristunut.)

    2017 kirjoitit gravitaatioaalloista. Kommentoinnista:

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

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, tosiaan.

      Valon tapauksessa tosiaan paikkaa vastaan aallon korkeus ja nopeutta sen vaihe.

  2. Jyri T. sanoo:

    Mikä on käsitys tällä hetkellä: oliko mitään muita kenttiä olemassa inflaation aikana, vai alkoivatko ne vaikuttaa vasta inflaation lopun aikoihin?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei tiedetä. Monen kentän inflaatiomalleja on tutkittu paljon, mutta toistaiseksi niitä ei tarvita havaintojen selittämiseen, yksi kenttä riittää.

  3. Martti V. sanoo:

    Miten tiedepiireissä nykyään suhtaudutaan nollaenergiseen universumiin, joka olisi syntynyt suuresta kvanttifluktuaatiosta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Se on yksi spekulaatio muiden joukossa. Idea ei ole ollut kovin hedelmällinen, eikä ole päätynyt osaksi kosmologien työkalupakkia, toisin kuin inflaatio. Mutta voihan sen aika vielä tulla.

  4. Martti V. sanoo:

    Teorian epäsuosio hieman ihemetyttää. Eikö tästä teoriasta saada tutkimuksellista tarttumapintaa vai onko se ristiridassa muiden teorioiden kanssa?
    Minusta ajatusta puoltaa se, että nykyisen universumin laajenemiseen laskelmoitu tyhjiön energiatiheys näyttäisi juuri tällä hetkellä olevan osapuilleen yhtä suuri kuin materian energiatiheys. Se selittyisi, jos positiivinen inflaatioenergia aina kompensoi negatiivista gravitaatioenergia niin, että universumin nettoenergiasta tulee nolla. Kiihtyvään laajenemiseen olisi syynä, että negatiivinen gravitaatioenergia on kasvanut itsearvoltaan massakeskittymissä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Muistettakoon, että tämä kommenttiosio ei ole paikka omien teorioiden esittelyyn.

      Teoriat maailmankaikkeuden syntymisestä tyhjästä olivat osa kvanttimekaniikan yksinkertaista soveltamista koko maailmankaikkeuteen. Tällainen soveltaminen ei juuri tehnyt ennusteita eikä muutenkaan ollut hedelmällistä. Ennusteiden osalta inflaatio on ajanut ohi tällaisista ideoista (jotka eivät toki ole ristiriidassa inflaation kanssa) ja kvanttifysiikan ja suhteellisuusteorian yhdistämisen osalta säieteoria ja vähemmässä määrin silmukkakvanttigravitaatio ovat noidenn ideoiden perillisiä.

  5. Martti V. sanoo:

    On ymmärrettävää, että varhaisessa tiheässä universumissa kvanttivärähtelyt ovat antaneet siemenet materian jakaumaan. Selittääkö inflaatioteoria sen enempää kvanttikenttäteorian yhteyttä gravitaatioon?

    Jos Higgsin kenttä on mahdollisesti aiheuttanut inflaation, voisiko sama kenttä määrittää suhteellisuusteorian aika-avaruuden geometrian? Jos kenttä antaa massan tietyille hiukkasille, vaikuttaako massa myös kentän arvoon?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Inflaatiossa aika-avaruuden ja kentän pieniä poikkeamia keskiarvosta käsitellään kvanttikenttinä kaarevassa aika-avaruudessa (gravitaatio on aika-avaruuden kaatevuuden ilmentymä).

      Inflaatio ei kerro mitään kvanttikenttien ja gravitaation yhteydestä näitä pieniä poikkeamia lukuunottamatta. Rakenteen siementen lisäksi se kuvailee vain kvanttivärähtelyistä syntyviä gravitaatioaaltoja, ks. http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/maljan_jaljilla

      Aika-avaruuden geometria määräytyy sen ainesisällöstä, eli mikä ikinä kenttä on vastuussa inflaatiosta juurikin määrittää aika-avaruuden geometrian inflaation aikana. Kiihtyvä laajeneminen on aika-avaruuden geometrian ilmentymä (ja laajeneminen ylipäänsä).

      En ole varma ymmärränkö kysymystä siitä vaikuttaako massa kentän arvoon. Minkä massa? Yleensä minkä tahansa hiukkasten massako? Massa vaikuttaa gravitaation kautta kaikkeen mitä aika-avaruudessa on.

  6. Martti V. sanoo:

    Tarkoitin kysymyksellä aiheuttaako esim. minkä tahansa massan liikkuuminen muutosta sitä ympäröivän Higgsin kentän energia-arvoihin ? Pitäisikö gravitaatioaallot näkyä aaltoina Higgsin kentässä?

    Yleisesti ajatellaan, että Higssin efektissä energiaa siirtyy tyhiiöstä hiukkaseen. Energian säilymisen puitteissa efekti laskisi hiukkasen ympäröivää tyhjiön energiapotentiaalia (tämä lause omaa spekulointia), mikä voisi näkyä Higssin kentässä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä ensimmäiseen, mutta nykymaailmankaikkeidessa vaikutus on mitättömän pieni.

      Gravitaatioaalloilla ei ole massaa, ja ne häiritsevät Higgsin kenttää mitättömän vähän.

      En ole varma, mihin ”Higgsin efekti” viittaa. Higgsin mekanismissa (jolla hiukkaset saavat massansa) energiaa ei siirry tyhjöstä hiukkasiin.

      1. Martti V. sanoo:

        Kiitokset vastauksista. Higgsin mekanismia tarkoitin (efektiä käytetty jossain synonyyminä ja enkä löydä nyt tieteellistä julkaisua tyhjiöenergiaan liittyen). Higssin mekanismissa Higssin potentiaali laskee pienimpään arvoon (kaiketi negatiiviseksi) eli kentän energia pienenee massan saaneen bosonin kohdalla.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Higgsin potentiaalin minimiarvo on nolla, ei negatiivinen.

          Higgsin kentän arvo määrää sekä hiukkasten massat ja Higgsin kentän energiatiheyden, mutta nuo kaksi asiaa eivät muuten liity toisiinsa. Hiukkasten massat eivät vähennä kentän arvoa.

  7. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: Ei tiedetä. Monen kentän inflaatiomalleja on tutkittu paljon, mutta toistaiseksi niitä ei tarvita havaintojen selittämiseen, yksi kenttä riittää.

    Tulee heti mieleen tietysti suomalaiset. Eli Kari Enqvistihän oli mukana kehitelmässä, jossa toisena kenttänä (Higgsin lisäksi) on ns kurvatoni kenttä. Vaikka käsittääkseni se ei itse ”aja” inflaatiota mutta luo sille kaareutumishäiriöitä itse inflatonikentän (mikä se sitten onkin) hajottua. Osaatko sanoa vieläkö tämä jo 20 vuotta vanha kehitelmä on ”hapessa”?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kari Enqvist ja silloinen huonetoverini Martin Sloth olivat tosiaan ensimmäiset jotka esittivät kurvatonikenttää. Heidän alkuperäinen ideansa tosin ei liittynyt inflaatioon, vaan nk. pre-big bang -skenaarioon. Sittemmin Enqvist (ja muut) on soveltanut ideaa myös inflaatioon.

      Inflaatiokurvatonimalleja on moneen lähtöön, niistä osa sopii vielä havaintoihin, mutta mitään tukea idealle ei ole tullut. Kurvatoneilla on tiettyjä piirteitä (esimerkiksi kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien nk. epägaussisuus). Jos niitä olisi nähty, se tukisi kurvatoneja. Se, että niitä ei ole nähty heikentää niiden tenhoa, mutta ei osoita niitä vääriksi (koska piirteet voivat olla heikkoja).

  8. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: Kurvatoneilla on tiettyjä piirteitä (esimerkiksi kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien nk. epägaussisuus). Jos niitä olisi nähty, se tukisi kurvatoneja. Se, että niitä ei ole nähty heikentää niiden tenhoa, mutta ei osoita niitä vääriksi (koska piirteet voivat olla heikkoja).

    Kurvatonien epägaussisuudesta näkyykin olevan esim Tenkasen pro gradu (2013) https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/42000/Pro_gradu_Tommi_Tenkanen.pdf?sequence=2&isAllowed=y
    Mielenkiintoista luettavaa, kannattaa lukaista. Tässä jokunen poiminta Tenkasen paperin epägaussisuudesta:

    ”On syytä korostaa, että kurvatoni ja inflatoni ovat kuitenkin vain kuvailevia malleja vailla hiukkasfysiikan motivointia, eikä niitä ole havaittu.

    Havaintojen ensimmäisen asteen epägaussisuudelle tarjoamat rajat saattavat myös paljastua niin pieniksi, että tällaisen epägaussisuuden suorasta havaitsemisesta tulee periaatteessakin mahdotonta.
    Kaarevuusperturbaation jakaumassa esiintyvää epägaussisuutta ei ole toistaiseksi havaittu, mutta havainnot asettavat tiukkoja rajoja poikkeamille gaussisesta tapauksesta . Olemme johtaneet ennusteen ensimmäisen ja toisen asteen epägaussisuudelle yhden kentän tapauksessa ja todenneet, että mikäli selvästi nollasta poikkeavaa toisen asteen epägaussisuutta tullaan joskus havaitsemaan, sulkee tämä pois sellaisen yhden kentän inflaatiomallin, jossa kaarevuusperturbaatio generoidaan inflaatiota ajaneen kentän inflaation aikaisista kvanttifluktuaatioista”.

  9. miguel sanoo:

    Ehkä tähän on jo jossain vastattu, mutta kysymyksenä (ei omana teoriana), että universumin laajeneminen on johtanut samalla sen jäähtymiseen, miljoonista nykyisin kai 3 kelvinasteeseen. Jos laajeneminen jatkuu ja jos lämpöenergia on kvantittunutta, niin tuleeko edes teoriassa vastaan tilanne, jossa sen hetkisen lämpötilan ja absoluutisen nollapisteen välillä ei ole ”puoliväliä”, kvanttiteorian takia, vaan vaihtoehtona on, ettei laajeneminen (ja lämpötilan lasku voi jatkua) ikuisesti, vaan se pysähtyy kuin seinään. Eri alueilla eri aikaan.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kysymys on vähän kaukana merkinnän aiheesta, joten en vastaa sen tarkemmin kuin ”ei”.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Ympyrä sulkeutuu

31.3.2020 klo 12.17, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Edellisessä merkinnässä mainitsin tekstistäni, joka käsitteli kauneuden eri ilmenemismuotoja fysiikassa: ilmiöiden kauneutta, tarinoiden kauneutta ja sääntöjen kauneutta. (Aiemmin aiheesta täällä, täällä ja täällä.)

Käsittelemättä jäi eräs seikka, jota joskus kysytään: miksi fysiikan lait tuntuvat kauniilta? Tähän on vähintään yhtä vaikea vastata kuin siihen, miksi maalaukset näyttävät kauniilta, mutta yritän hahmotella yhtä puolta asiasta.

Miksi mitään ylipäänsä pidetään kauniina? Aivomme ovat evoluution myötä kehittyneet merkitsemään tietyt aistimukset miellyttäviksi ja toiset epämiellyttäviksi. Vahvimmat tällaiset leimat annetaan tuntoaistimuksille, mutta ne rajoittuvat yleensä välittömiin kokemuksiin.

Sen sijaan tiettyjen asioiden näkemisen aiheuttama mielihyvä yleistyy hetken tuntemusta kauemmas. Koska näkö on ihmisen merkittävin aisti, hahmotamme esimerkiksi esineiden muotoja ennemmin näkemisen kuin tuntemisen kautta. Näkymiin ja muotoihin liittyvät mielihyvän tunteet yhdistyvät niitä kuvaavan säännönmukaisuuden myötä abstraktimpiin käsitteisiin.

Esimerkiksi ympyrä on kaunis muoto. Ympyrä on kiertosymmetrian ilmentymä: se säilyy samana keskipisteen ympäri kierrettäessä. Niinpä silmin havaittavaan muotoon liittyy avaruutta koskeva muutos. Näön kautta koettu kauneus tarttuu kierron käsitteeseen, joka on konkreettista muotoa yleisempi. Kiertosymmetria perii kauneuden yhdeltä ilmentymältään, ympyrältä.

Olen aiemmin maininnut siirtymän Nikolaus Kopernikuksen ympyräradoista Isaac Newtonin kiertosymmetriseen painovoimalakiin esimerkkinä kehityksestä ilmiöiden kauneudesta lakien kauneuteen. Newtonin gravitaatiolain mukaiset radat eivät kaikki ole kiertosymmetrisiä (planeettojen radat ovat ellipsejä, eivät ympyröitä), mutta sen sijaan gravitaatiolaki on samanlainen joka suunnassa.

Newtonin gravitaatiolaissakin on vielä kyse avaruuden kierroista. Kiertojen kauneus vie kuitenkin avaruutta pidemmälle. Sähkömagnetismin kaunis teoria perustuu siihen, että kaikki säilyy samana, kun fotoneita ja varattuja hiukkasia kuvaavia kenttiä muutetaan tavalla, joka on matemaattisesti samanlainen kuin avaruuden kierto.

Olemme siis lähteneet liikkeelle konkreettisesta ympyrästä, siirtäneet sen kauneuden avaruuden kiertoihin ja päätyneet hahmottamaan ainetta ja valoa kuvaavien kenttien lakeja tämän avaruudesta tutun käsitteen avulla. Ympyrä sulkeutuu, kun ymmärrämme, että maailman ilmiöiden muodot ovat taasen seurausta näistä kenttiä koskevista laeista.

Koska ajattelumme on kehittynyt mallintamaan karkeaa ilmiöiden maailmaa, lähestymme hienoja lakeja niiden karkeista ilmentymistä yleistetyillä käsitteillä.

Monet fysiikan lakien symmetrioista ovat kauempana välittömistä havainnoista kuin kiertosymmetria, ja on paljon kauneutta, jolla ei ole vastinetta havaittavissa muodoissa. Mutta niidenkin matemaattisten rakenteiden ymmärtämiseen käytetään silmillä nähtävien muotojen hahmottamisessa harjaantuneita nystyröitä.

Konkreettisten esineiden käsittelemiseen kehittyneen ajatuskoneistomme valjastamista matemaattisten rakenteiden ymmärtämiseen kutsutaan geometriseksi lähestymistavaksi. Siinä etusijalla ovat tilaan ja kuvalliseen ajatteluun liittyvät käsitteet kuten muodot, koot, suunnat ja etäisyydet. Se täydentää algebralliseksi lähestymistavaksi kutsuttua mallintamista, missä käytetään tinkimättömiä yhtälöitä.

Helposti hahmotettava esimerkki geometrian ja algebran yhteydestä on Metta Savolaisen kuvateos, jonka muodoista ja pinta-aloista voi lukea Pythagoraan lauseen z2=x2+y2 todistuksen. Kuva ja yhtälö yhdessä ovat otos geometrian ja algebran välisestä sanakirjasta. Yhtälö z2=x2+y2 kuvaa myös ympyrää, jonka säde on z, joten se havainnollistaa myös sitä, miten yhtälöt liittävät erilaisia muotoja toisiinsa.

12 kommenttia “Ympyrä sulkeutuu”

  1. Cargo sanoo:

    ”Yhtälö z^2=x^2+y^2 kuvaa myös ympyrää, jonka säde on z, joten se havainnollistaa myös sitä, miten yhtälöt liittävät erilaisia muotoja toisiinsa.”

    En halua saivarrella, mutta ihan samasta muodosta on kyse: etäisyys karteesisessa (x,y)-tasossa vs. hypotenuusan pituus suorakulmaisten sivujen/kantojen suhteen. Mutta joo, tuo Pythagoraan lause on tavattoman keskeinen tulos sekä matematiikassa että fysiikassa: kvanttimekaniikka pyörii Fourier-analyysin ympärillä, jossa Pythagoraan lause ilmenee ortogonaalisten ominaisfunktioiden ja projektioiden kautta; erityisessä suhteellisuusteoriassa Pythagoraan lause johtaa Lorenzin muunnokseen, sekä sen avulla voi yhdistää kappaleen energia, liikemäärä ja massa; yleinen suhteellisuusteoria soveltaa Gaussin koordinaatistoa, jossa Pythagoraan lause ilmenee etäisyytenä pitkin kaarevaa pintaa sopivien komponenttien avulla.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En kommentoi tähän muuta kuin sen, että ympyrä ja kolmio ovat eri muotoja.

      1. Cargo sanoo:

        No joo 🙂 pääsi tulemaan ajatuskatko, kun aloin pohtimaan yksikköympyrän siniä ja kosinia.

    2. TimoK sanoo:

      Minustakin tuo Pythagoran lause edustaa juuri yksinkertaisuutensa takia tietynlaista kauneutta, varsinkin kun sen avulla voidaan päästä varsin mullistaviinkin tuloksiin – esimerkiksi siihen Lorenzin kertoimeen, yhteen suhteellisuusteorian kulmakivistä.

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Uskaltaudun tänne taas kommentoimaan silläkin uhalla, että lento- tai joku muu nimimerkin taakse piiloutuva taidoton esittää arvionsa älystäni ja tiedoistani. Geosentrisessä maailmankuvassa maa oli kaiken keskispiste, jota aurinko, kuu ja planeetat kiersivät ”kauniita” ympyräratoja. Tähän kauneuteen tuli kuitenkin särö, kun planeettojen liike ei noudattanutkaan tarkasti esitettyä mallia. Niinpä planeettojen ympyräratoihin lisättiin ”kaunis” ympyränmuotoinen episykli, jolla asiaa yritettiin korjata. Näin yksinkertainen episyklimalli ei kuitenkaan riittänyt kaikkien planeettojen liikkeiden hienouksien selittämiseen, vaan alkuperäiselle episyklille jouduttiin lisäämään pienempiä episyklejä, ja lopulta Ptolemaioksen lopullinen malli sisälsi 80 episykliä. Vasta kun ”kauneuden” vaatimuksesta tingittiin ja planeettojen radat korvattiin vähemmän kaunilla ellipseillä päästiin eteenpäin.

    Kuten kirjoitin aiemmin, kauneus on katsojan silmässä ja sen vuoksi kauneus ei mielestäni sovi kovin hyvin fysiikan luonnehtimiseen, vaikka matematiikan sopisikin. Mitä taas tulee kuvataiteisiin arvostan suuresti surrealisteja kuten Salvador Dalía ja René Magrittea. En esteettisten seikkojen vuoksi vaan siksi, että heidän töissään on yllätyksellisyyttä, mikä pistää ajattelemaan. Tukholman modernissa museossa on Dalin L’enigme de Guillaume Tell (v. 1933). Se antaa uuden perspektiivin Wilhelm Tellin sankarimyyttiin.

    1. Cargo sanoo:

      Antiikin aikana rationaalilukuja pidettiin ”klassisina” ja niiden avulla pyrittiin selittämään yhtä jos toista vallitsevasta maailmasta. Irrationaalilukuja taas pidettiin järjettöminä, mutta toisaalta niitä voitiin ymmärtää säännöllisten rationaalilukujen avulla, mitä taas voidaa pitää omalla tavallaan kauniina teoriana.

      Ptolemaioksen episykliteoria oli siinä mielessä kaunis, että ihminen saattoi visualisoida koko prosessin säännöllisellä sekä klassisella tavalla – ja saada oikeita vastauksia. Vasta jälkeenpäin on käynyt selväksi, että episykliteorian visuaalinen kuvaus on väärä. Modernin ajan episykliteoria lienee Feynmanin polkuintegraaliformalismi, joka kuvaa kvanttiprosessia säännöllisellä sekä klassisella tavalla, mutta ei ole mitään syytä olettaa, että kvanttihiukkaset tosiasiallisesti kulkisivat paikasta toiseen kaikkia erilaisia ratoja pitkin yhtä aikaa, eli kyseessä on vain visuaalisesti kaunis matemaattinen resepti.

  3. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”…mutta ei ole mitään syytä olettaa, että kvanttihiukkaset tosiasiallisesti kulkisivat paikasta toiseen kaikkia erilaisia ratoja pitkin yhtä aikaa, eli kyseessä on vain visuaalisesti kaunis matemaattinen resepti.”

    Tästä olen täysin samaa mieltä. Matematiikassa on muitakin visuaalisesti kauniita reseptejä, joilla ei välttämättä ole mitään yhteyttä todellisuuteen.

  4. Lentotaidoton sanoo:

    Jospa sitten vähän kehuttaisiin Erkki Kolehmaista: ”Mitä taas tulee kuvataiteisiin arvostan suuresti surrealisteja kuten Salvador Dalía ja René Magrittea. En esteettisten seikkojen vuoksi vaan siksi, että heidän töissään on yllätyksellisyyttä, mikä pistää ajattelemaan”.

    Tätähän kaikki tosi suuret mullistukset luonnontieteiden historiassa myös todistavat – ne ovat aina tulleet suurina yllätyksinä ei ainoastaan suurelle yleisölle vaan myös useille fyysikoille/tiedemiehille itselleenkin (vaikka niissä asiantuntijat pystyvätkin jälkeenpäin näkemään selvän edeltävän ”ilmassa roikkumisen”).

    Räsänen: ”Koska ajattelumme on kehittynyt mallintamaan karkeaa ilmiöiden maailmaa, lähestymme hienoja lakeja niiden karkeista ilmentymistä yleistetyillä käsitteillä”. Näiden karkeistettujen käsitysten takana oleva entistä tarkempi selitys on aina tullut useimmille yllätyksenä. Mutta yhtä lailla tämä historiallinen tosiseikka on poikinut myös paljon polkuja, jotka ovat joko vieneet umpikujaan tai jotka on aikojen kuluessa ignoteerattu kuolleiksi. Kaikki ”hullut” ajatukset eivät toki ole ”totta”.

    Myös minä olen aina ollut surrealistien suuri ihailija. Samalla tavoin voi kysyä: mitä ”kuvaa” Sibeliuksen viides tai Tsaikowskin kuudes? Ovatko ne ”kauniita”? Ovatko ne ”totta”? Kysymykset ovat mielettömiä. Jokainen vastaa kysymyksiin omalla tavallaan. Tietysti voi lausahdella yleisiä käsityksiä: Sibeliuksen viides oli riemusoittoa syövästä selviämisestä, Tsaikowskin kuudes (Патетическая) taas kaikkinensa tietoinen hyväksijättö traagiselle elämälle – kuoli itsemurhaan 9 päivää ensiesityksen jälkeen). Taide ja tiede kaikkinensa ovat tukena mielekkääseen elämään ja ymmärtämiseen.

    1. Erkki Kolehmainen sanoo:

      Kiitos. Jos löytää uuden polun, niin ei kannata kääntyä heti takaisin, vaikka maasto muuttuisikin haastavaksi. Polun päässä voi olla umpikuja tai nabatealaisten Petra, joka saa silmät revähtämään hämmästyksestä.

  5. Jyri T. sanoo:

    ”Antiikin aikana … Irrationaalilukuja taas pidettiin järjettöminä…”

    Tuskin antiikin aikana pohdittiin irrationaalisia lukuja. Tarkoittanet reaalilukuja tms.

    ”…ei ole mitään syytä olettaa, että kvanttihiukkaset tosiasiallisesti kulkisivat paikasta toiseen kaikkia erilaisia ratoja pitkin yhtä aikaa, eli kyseessä on vain visuaalisesti kaunis matemaattinen resepti.”

    Kun kerran hiukkanen on kentässä liikkuva aalto, se leviää laajalle alalle. Siinä mielessä tuo Feynmannin malli on looginen. Ei siellä ainakaan mitään pieniä pingispalloja viuhu edestakaisin.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Tämä riittäköön viruksista, elleivät ne liity jotenkin merkinnän aiheeseen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Ihmisten ja enkelien kielillä

23.3.2020 klo 18.05, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

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

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

8 kommenttia “Ihmisten ja enkelien kielillä”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

      Ei tästä sen enempää.

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

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

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Teksti on luettavissa linkin takana.

  2. Lentotaidoton sanoo:

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

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

    Suosittelen kaikkia lukemaan tuon Syksyn kirjoituksen.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, mukava kuulla että pidit artikkelista.

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

    2. Erkki Kolehmainen sanoo:

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

      1. Syksy Räsänen sanoo:

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

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *