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.

35 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.

Vastaa käyttäjälle Jernau Gurgeh Peruuta vastaus

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 käyttäjälle Jernau Gurgeh Peruuta vastaus

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 käyttäjälle Jernau Gurgeh Peruuta vastaus

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 käyttäjälle Jernau Gurgeh Peruuta vastaus

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 käyttäjälle Jernau Gurgeh Peruuta vastaus

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 käyttäjälle Jernau Gurgeh Peruuta vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Vasemmalta oikealle

21.3.2020 klo 17.46, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

24 kommenttia “Vasemmalta oikealle”

  1. Matti Hult sanoo:

    Erinomaisen valaisevasti kirjoitettu -kiitos!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

  2. Eusa sanoo:

    Neutriinojen massallisuuttahan ei ole suoraan todennettu eli saatu mitattua massat.

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

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

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

      1. Eusa sanoo:

        Tartuit spekulointitoleranssin arviointiin, mutta itse kysymys jäi vastaamatta. 🙂

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tosiaan.

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

      2. Jernau Gurgeh sanoo:

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

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

        Vai olenko ymmärtänyt ihan väärin, mistä asiassa on kysymys?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

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

          Myös fotonien aallonpituus ja polarisaatio voivat muuttua.

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

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

  3. Lentotaidoton sanoo:

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

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

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

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

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

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

  4. Eusa sanoo:

    Neutriinoista ihan peruskysymys.

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

  5. Lentotaidoton sanoo:

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

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

  6. Lentotaidoton sanoo:

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

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

  7. Sunnuntaipohdiskelija sanoo:

    Kiitos Syksy. Vaikka tässä artikkelissa kiihtyvää laajenemista ei käsitelty, niin siihen liittyen spekuloin olisiko niinkin yksinkertaista, että tyhjiö spontaanisti aina laajenee (kutsutaan sitä sitten kosmiseksi vakioksi tai tyhjiöpaineeksi). Kun massa on vähitellen keskittynyt galakseihin ja tyhjiöt niiden välissä ovat kasvaneet, globaali laajeneminen on ottanut vallan. Universumi ollaan kuvattu yleisesti laakeaksi. Viimeaikaisen Planckin tekemät mittaukset viittavat kuitenkin, että universumi voisi kaareutua pallomaiseksi pitkän laakean ajanjakson jälkeen. Mielenkiintoisena ajatuslekkinä voisiko kiihtyvä laajeneminen johtaa ylivalonnopeuteen, jolloin aika lähtee taaksepäin ja avaruus kaareutuu takaisin alkupisteeseen? Voisiko avaruus kaareutua kuin hyberboloidi, jonka päät yhdistyvät? Pimeä energia korreloi ilmeisesti ajan suunnan kanssa eli tällöin pimeäenergia muuttuisi lopulta negatiiviseksi. Olisi loogista ajatella, että pimeäenergia on johdannainen kvanttiilmiöistä kuten myös painovoimakenttä samalla tapaa kuin makroskooppinen massa on johdannainen energiasta.

  8. Sunnuntaipohdiskelija sanoo:

    Eikö tyhjiöenergia pysty selittämään laajenemista yksinään havaintojen perusteella? Eikö avaruudessa olevien tyhjien alueiden tilavuus korreloi kiihtyvän laajenemisen aiheuttamaan voimaan?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tyhjiön energiaa on kaikkialla, oli ainetta tai ei.

      Koska tämä ei liity merkinnän aiheeeen, ei tästä sen enempää.

  9. Sunnuntaipohdiskelija sanoo:

    Vastikään Naturessa julkaistiin todisteita neutriinojen epäsymmetrisyydestä, joka selittänee miksi materiaa ylipäätänstä on olemassa. Voiko joku kommentoida miten materian synty liittyy neutriinoihin, joilla on mitätön massa? Universumin alkuvaiheessa uskotaan olleen raskaita neutriinoja. Oletan, että niistä suurin osa annihiloitui, mutta epäsymmetriasta johtuen oikekätisiä jäi universumiin ja vasenkätiset antihiukkaset hävisivät. Voisiko jäljelle jääneet olla pimeää ainetta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Merkinnässä onkin kirjoitettu tästä, lisää linkin takaa:

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

      1. Sunnuntaipohdiskelija sanoo:

        ”Kevyin steriili neutriino on vastuussa pimeästä aineesta.” Käsitin mainitsemastani julkaisun tiivistelmästä, että nämä steriilit oikeakätiset neutriinot olisivat syntyneet ainoastaan universumin alkuhetkillä ja hajonnut nopeasti kevyemmiksi hiukkasiksi (kuten materiaksi). Ilmeisesti näin ei käynytkään kaikille hiukkasille, vaan ”kevyimmät” alle protonin massaiset ovat stabiileja. Miten tämä selittynee?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          On erilaisia vaihtoehtoja sille, millaisia oikeakätiset neutriinot ovat ja mikä on niiden rooli.

          En tiedä mihin julkaisuun viittaat, enkä kommentoi tässä sitä.

          Merkinnässä kirjoitan yhdestä vaihtoehdosta. Merkinnässä lukee näin:

          ”Kevyin oikeakätinen neutriino on oiva ehdokas pimeäksi aineeksi: sillä ei ole sähkövarausta (eikä värivarausta) ja se voi olla erittäin pitkäikäinen.”

Vastaa käyttäjälle Jernau Gurgeh Peruuta vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Heinät heinäsuovasta

29.2.2020 klo 14.03, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4 kommenttia “Heinät heinäsuovasta”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyseessä ei ollut mainostilaisuus vaan tieteellinen tapaaminen.

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

      ESA ei ole osa EU:ta.

  2. Lentotaidoton sanoo:

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

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

Vastaa käyttäjälle Jernau Gurgeh Peruuta vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Raapimisjälkiä haudassa

27.2.2020 klo 19.10, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

18 kommenttia “Raapimisjälkiä haudassa”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Pimeän aineen vaihtoehdosta (eli muokatusta gravitaatioteoriasta) hieman täällä:

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

  2. Lentotaidoton sanoo:

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

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

    Entä toinen lähitulevaisuudessa laukaistava Extremely Large Telescope (ELT)?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

      ELT:n yksityiskohtia en tunne.

  3. Maallikko sanoo:

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

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

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

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

  4. Cargo sanoo:

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

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

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

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

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

        1. Syksy Räsänen sanoo:

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

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

          1. Erkki Kolehmainen sanoo:

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

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

          2. Syksy Räsänen sanoo:

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

            Törmäyksen luonteesta, ks. vastaus yllä.

            Yksityiskohtia materiaaleista löytyy artikkeleista.

          3. Syksy Räsänen sanoo:

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

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

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

  5. Erkki Tietäväinen sanoo:

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

  6. antero sanoo:

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

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

Vastaa käyttäjälle Jernau Gurgeh Peruuta vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Vapaus, sivistys, itsehallinto

19.2.2020 klo 15.22, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

Tapahtuman kuvaus on seuraava:

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

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

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

5 kommenttia “Vapaus, sivistys, itsehallinto”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

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

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mitä tarkoitat?

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

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

        1. Syksy Räsänen sanoo:

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

          1. Erkki Kolehmainen sanoo:

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

Vastaa käyttäjälle Jernau Gurgeh Peruuta vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *