Kosmokseen kirjoitettua

Raportteja edistyksestä

22.10.2025 klo 22.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin viime viikolla kahdessa ranskalaisessa konferenssissa, tässä niistä joitakin poimintoja. Alkuviikosta oli Ranskan gravitaatioaaltotutkijoiden vuosittainen tapaaminen. Vuonna 2016 julkistettu ensimmäinen suora havainto gravitaatioaalloista aloitti uuden aikakauden tähtitieteessä ja kosmologiassa, ja Ranskassa tutkitaan niitä paljon.

Konferenssi oli jaettu osiin, missä työryhmät raportoivat edistyksestä kullakin suunnalla. Tämä on järjestelmällisempää kuin kosmologian konferensseissa, joissa yleensä käyn, missä teoreetikot kuten minä kertovat kaikenlaisista ideoista. Yksi työryhmien aihe oli pitkät ja huolelliset laskut kappaleiden välisestä gravitaatiosta, mistä kirjoitin viime kuussa, ja joita tarvitaan gravitaatioaaltohavaintojen tulkitsemiseen. Työ muistuttaa kokeellisen hiukkasfysiikan tueksi tehtyjä laskuja monimutkaisuuden ja huolellisuuden puolesta. Puhuin itse varhaisessa vaiheessa olevasta ja vähemmän täsmällisistä laskuista siitä miten hiukkaset vaikuttavat gravitaatioaaltojen kulkuun (olen aiemmin käsitellyt niiden vaikutusta valon kulkuun)

Raportit pitkistä laskuista ja vaaditusta tarkkuudesta tuovat mieleen sen, miten ennen tietokoneita laskettiin planeettojen ratoja käsin palanen kerrallaan. (Monet näitä keskeisiä laskuja tehneistä tutkijoista olivat naisia, joita ei sukupuolensa takia päästetty korkeampiin asemiin.) Kenties tulevaisuudessa myös tarkempien korjausten laskeminen hiukkasfysiikassa yleisessä suhteellisuusteoriassa pystytään automatisoimaan, kuten ratalaskut nykyään.

Myös mahdollisten signaalien ennustamisessa on vielä paljon työtä. Yksi viime vuosien suuria uutisia on se, että pulsareiden avulla on (luultavasti) havaittu gravitaatioaaltoja, joiden lähteestä ei ole varmuutta. Suoraviivaisin selitys on galaksien keskustoissa toisiaan kiertävät jättimäiset mustat aukot – kertoo jotain ymmärryksemme laajuudesta, että tämä on arkisin selitys. Muitakin mahdollisuuksia, kuten kosmisia säikeitä, on ehdotettu. Mutta sen perusteella, mitä konferenssissa kerrottiin signaalin analysoimisesta ja siinä vielä olevista epävarmuuksista, tällaiset signaalin tulkinnat vaikuttavat ennenaikaisilta. Pian asiasta saataneen tarkka selko.

Kokeellisten löytöjen takana on monien tutkimusryhmien huolellinen työ, eikä ole selvää mihin suuntaan mennään. Tiede ei etene yksinkertaista kysymys-vastaus-polkua pitkin, vaan matka haarautuu eri suuntiin.

Mustien aukkojen lisäksi neutronitähdet ovat toinen kohde, joiden törmäysten lähettämiä aaltoja on havaittu. Gravitaatioaaltojen avulla saadaan tietoa neutronitähtien rakenteesta, mutta sen mallintaminen on vaativaa puuhaa, eikä niiden eri kerroksista ole vieläkään varmuutta. Aihetta tutkitaan aktiivisesti myös Helsingissä. Neutronitähtien ymmärtämiseksi tarvitaan parempia mittauksia ja ymmärrystä ydinfysiikasta. Tämä on hieman huvittavaa, koska jonkun aikaa sitten teoreettista ydinfysiikkaa pidettiin jokseenkin kuolleena alana (tai alana, josta vakuutellaan, että se ei ole kuollut, mikä on sama asia), mutta nyt sitä taas tarvitaan tutkimuksen eturintamassa.

Yksi lähde, jonka gravitaatioaaltoja ei ole vielä havaittu, on supernovien räjähdykset. Supernovat ovat tähtiä, jotka elämänsä loppuvaiheessa romahtavat joko polttoaineen loputtua tai siksi, että naapuritähdestä virtaa niihin liikaa ainetta. Ne ovat kosmologiassa tärkeitä. Supernovat ovat antaneet yhden avaintodisteista maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisestä, ja ovat pääroolissa uusimmassa kosmologian kiistassa laajenemisnopeudesta. Noin 99% räjähdyksen energiasta vapautuu neutriinoina, prosentti valona ja sadasmiljoonasosa gravitaatioaaltoina. Tähtäimessä on tuon tuhannesmiljoonasosan havaitseminen, mutta tätä romahduksesta syntyvää signaalia ymmärretään toistaiseksi huonommin kuin mustien aukkojen törmäysten synnyttämiä gravitaatioaaltoja.

Vaikka kaikki kosmologian tutkimus on kansainvälistä, Ranskan tiedeyhteisö on niin iso, että se voi olla myös hieman sisäänpäin lämpiävä. Esimerkiksi yksi puhuja harmitteli, että neutronitähdissä tarvittavia ydinfysiikan mittauksia ei tehdä Ranskassa ollenkaan. Suomessa on selvää, että kansainvälisyys on edistyksen avain, ja vastaava tapaaminen ei olisi vain Suomen vaan kaikkien pohjoismaiden (ja Baltian maiden) kesken, millaisia olemmekin järjestäneet.

Viikon loppupuolella oli Ranskan gravitaatio- ja kosmologiatutkijoiden tapaaminen. Sielläkin mustat aukot ja gravitaatioaallot olivat paljon esillä, mutta näkökulma oli laajempi, ja mukana oli useita ideoita, joiden merkitys ei ole vielä selvä.

Yksi näistä on vaihtoehdot mustille aukoille. Nyt kun on sekä gravitaatioaaltojen että sähkömagneettisten aaltojen avulla yhä enemmän havaintoja mustista aukoista, tutkitaan yhä enemmän sitä, ovat ne todella sellaisia kuin mitä suhteellisuusteoria ennustaa – vai voisiko havainnot selittää jollain muilla kappaleilla.

Stephen Hawkingin yksi keskeinen saavutus oli maailmankaikkeuden alun selittäminen teoriassa, missä koko aika-avaruutta käsitellään kvanttifysiikan keinoin. Kuten Hawkingin muistokirjoituksessa mainitsin, ideaa ei ole varmennettu, eikä se ole päätynyt osaksi fyysikkojen työkalupakkia, osittain siksi että yhteys havaintoihin on puuttunut. Konferenssissa kerrottiin, että Hawkingin idean taustalla olevaa tapaa käsitellä aika-avaruutta on nyt sovellettu kosmiseen inflaatioon. Yleensä inflaatiossa käsitellään kvanttifysiikan keinoin vain pieniä värähtelyjä, eikä ole selvää onko oikein tehdä niin koko aika-avaruudelle. Yhdistämällä idea inflaatioon sitä voidaan verrata kosmisen mikroaaltotaustan ja ison mittakaavan rakenteen havainnoilla.

Hawkingin varmaankin merkittävin tieteellinen saavutus oli ennustus siitä, että mustat aukot säteilevät. Tämä Hawkingin säteily on liian heikkoa, jotta sitä pystyttäisiin mittaamaan todellisista mustista aukoista (ellei sitten pienistä muinaisista – jos niitä on olemassa). Mutta nesteissä on samanlaisia ilmiöitä kuin mustissa aukoissa. Jos neste virtaa nopeammin kuin mitä ääniaallot siinä kulkevat, ääni voi liikkua vain yhteen suuntaan. Tämä muistuttaa mustan aukon tapahtumahorisonttia, mistä voi kulkea vain sisään mutta ei tulla ulos. Tässäkin tapauksessa esiintyy Hawkingin säteilyä, joka on onnistuttu mittaamaan. Myös muita mustiin aukkoihin ja niille esitettyihin vaihtoehtoihin liittyviä ilmiöitä luodataan laboratoriokokeissa nesteiden avulla tavoilla mitä ei mustien aukkojen osalta ole mahdollista tehdä.

Menneisyydessä hiukkasfyysikkojen/kosmologien ja kiinteän olomuodon fyysikoiden (nimi kattaa myös nesteiden tutkimisen) välillä on ollut vastakkainasettelua, mutta yhteistyö yli rajojen kertoo kosmologian terveydestä ja kehityksestä. Hiukkasfysiikassa vuosikymmenten aikana saavutettu teoreettinen hienostuneisuus on jo tuotu kosmologiaan monien tutkijoiden siirryttyä kokeellisesti kuivuvalta alalta uusia havaintoja pursuavalle kentälle. Yhteistyö kiinteän olomuodon fyysikoiden kanssa on uudempaa, ja kosmologeilla lienee heiltä paljon opittavaa.

Konferenssissa huomasin myös miten vanhat tutut, jotka tekivät aiemmin teoreettista tutkimusta ovat siirtyneet lähemmäs havaintoja. Yksi syy on se, että havaintojen analysointiin ja siihen käytettävien matemaattisten työkalujen valmistamiseen tarvitaan paljon tutkijoita eli siinä on työpaikkoja. Mutta lisäksi havainnot tarjoavat uusia kiinnostavia ongelmia, joita määrittävät havainnot, eivät teoreetikkojen muotivirtaukset.

---

Jättiläisten synty

7.10.2025 klo 19.30, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehteen Rihveli 2/2025 supermassiivisista mustista aukoista, joiden syntyä minäkin tutkin. Artikkeli alkaa näin:

Monien galaksien ytimessä on jättimäinen musta aukko, eli tienoo jonka gravitaatio on niin vahva, että edes valo ei pääse pakoon. Kotigalaksimme keskustan mustan aukon massa on neljä miljoonaa Auringon massaa, ja monien galaksien keskusjättiläiset ovat tuhat kertaa raskaampia. Miten ne ovat syntyneet ja kasvaneet niin isoiksi? Kysymystä on tutkittu vuosikymmeniä, ja uudet havainnot ovat syventäneet arvoitusta.

Artikkeli on luettavissa täällä, koko lehden voi lukea tästä.

---

Yksityiskohtien merkitys

30.9.2025 klo 15.37, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Olen jälleen tutkimusvapaalla Helsingin yliopistosta. Syys- ja lokakuun olen vieraana Pariisissa École Normale Supérieuren fysiikan laitoksella. Samalla käyskentelen muuallakin Pariisissa kuuntelemassa ja pitämässä puheita. Tänään Clifford Will puhui Pariisin astrofysiikan instituutissa IAP siitä, riippuuko kappaleiden gravitaatio niiden sisäisestä rakenteesta.

Yleinen suhteellisuusteoria löydettiin vuonna 1915, ja sitä on testattu monella tapaa: valon ja kappaleiden liikkeillä Aurinkokunnassa, pyörivien neutronitähtien lähettämillä radiosignaaleilla, monilla kosmologisilla havainnoilla miljardien vuosien ajalta, ja viimeisimpänä gravitaatioaalloilla. Toistaiseksi teorian ennusteet ovat aina pitäneet kutinsa; kosmologiassa tosin on avoimia kysymyksiä, jotka saattavat selittyä suhteellisuusteorian puutteilla tai sitten jotenkin muuten, kuten maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden tarkka aikariippuvuus ja maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden mittauksiin liittyvät ristiriidat – kenties jopa maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen.

Will on yksi yleisen suhteellisuusteorian kokeellisten testien parhaita asiantuntijoita. Lukuisten tieteellisten artikkelien lisäksi hän on kirjoittanut aiheesta kaksi kirjaa, joista ensimmäinen on alan klassikko, sekä suurelle yleisölle suunnatun teoksen. Hän kertoi, että kun gravitaatioaaltokokeita LIGO ja Virgo suunniteltiin, koeryhmien jäsenet tulivat hänen luokseen kertomaan, kuinka paljon laskuja pitää parantaa, jotta saadaan ennustettua mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäyksissä syntyvien gravitaatioaaltojen muoto kokeiden vaatimalla tarkkuudella.

Will (ja monet muut tutkijat) ryhtyivät toimeen. Niin yleisessä suhteellisuusteoriassa kuin hiukkasfysiikassa laskujen monimutkaisuus ja niihin menevä aika kasvaa nopeasti tarkkuuden myötä. Tänään Will puhui laskusta, joka on niin työläs, että hän joutui luovuttamaan, mutta joka vihjaa outoon tulokseen.

Kyse on siitä, putoavatko kaikki kappaleet samalla tavalla. Ongelmaa tutki jo 1600-luvulla Galileo Galilei. Hän totesi kokeellisesti, että riippumatta kappaleiden koosta tai koostumuksesta ne kaikki putoavat samaa tahtia (kun ilmanvastuksen jättää huomiotta). Isaac Newtonin gravitaatioteoria selitti tämän sillä, että sekä kappaletta puoleensa vetävä gravitaatiovoima että voima joka kappaleen työntämiseen tiettyyn kiihtyvyyteen tarvitaan ovat verrannollisia kappaleen massaan. Mitä raskaampi kappale, sitä vaikeampi sitä on liikuttaa, mutta vastaavasti gravitaatio vetää sitä enemmän puoleensa.

Idea siitä, että kaikki kappaleet putoavat samalla tavalla oli keskeinen Albert Einsteinin pohdinnoissa, jotka johtivat hänet yleiseen suhteellisuusteoriaan. Se tunnetaan nykyään nimellä ekvivalenssiperiaate. Ekvivalenssiperiaate ei ole yleiseen suhteellisuusteoriaan sisältyvä oletus, vaan teorian piirre, joka pätee eri tarkkuudella eri tilanteissa.

Esimerkiksi Kuun ja Maan liikkeitä ei voi käsitellä ottamatta huomioon niiden rakennetta, koska ne ovat niin lähellä toisiaan, että massan jakaumalla on merkitystä. Kuu vetää voimakkaammin puoleensa Maapallon sitä puolta, joka on lähempänä ja heikommin kaukaisempaa. Tämä ilmiö on olemassa myös Newtonin gravitaatioteoriassa, ja selittää vuorovesien nousun ja laskun.

Yleiselle suhteellisuusteorialle erityistä on se, että kappaleiden pyöriminen vaikuttaa niiden gravitaatioon. Newtonin teoriassa ei ole tällaista ilmiötä, ja se on merkittävä vain isoilla pyörimisnopeuksilla. Vaikutus on Maalle mitätön (mutta kokeellisesti varmennettu), mutta mustille aukoille iso.

Sekä vuorovesivaikutukset että pyörimiseen liittyvä gravitaatio ovat kuitenkin pieniä silloin kun kappaleiden koko on pieni verrattuna niiden etäisyyteen tai kappaleet ovat hyvin pallomaisia. Niinpä vaikka Aurinkokunnan planeettojen liikkeitä laskettaessa ekvivalenssiperiaate pätee: planeettojen liike ei riipu niiden koostumuksesta eikä koosta, ne liikkuvat kuin pistemäiset kappaleet.

Newtonin teoriassa kappaleiden välinen gravitaatiovoima on täysin riippumaton niiden koostumuksesta (ja pyörimisestä) silloin kun ne ovat täysin pallomaisia. Yleisessä suhteellisuusteoriassa tämä tulos pätee vain suunnilleen, sitä tarkemmin mitä kauempana kappaleet ovat.

Tai näin Will (kuten muutkin asiantuntijat) luuli.

Will ja kumpp. laskivat 2000-luvun alussa gravitaatioaaltoennusteita varten kappaleiden liikkeitä yleisessä suhteellisuusteoriassa yhä tarkemmin. He löysivät yhtälöistä osia, joiden mukaan kappaleiden välinen gravitaatio riippuu niiden sisärakenteen yksityiskohdista, olivatpa ne miten kaukana tahansa ja vaikka ne olisivat pallomaisia.

Laskuissa pitää ottaa huomioon tuhansia termejä, ja Will oletti, että kun ne kaikki laskee yhteen, niin riippuvuus sisärakenteesta kumoutuu. Mutta mitä pidemmälle lasku eteni, sitä enemmän ja sitä erilaisempia tällaisia termejä löytyi, niin että oli yhä vaikeampi nähdä, miten ne voisivat kaikki kumoutua. Toisaalta monet yleisen suhteellisuusteorian tutkijat pitäisivät hyvin outona sitä, että kappaleen massajakauma vaikuttaisi sen gravitaatiokenttään mielivaltaisen kaukana, vaikka kappale olisi pallomainen.

Will alkoi huolestua siitä, että outoja termejä on niin paljon, että hänen jatko-opiskelijansa eivät valmistu ajoissa. (Puheessa Will sanoi, että termejä on niin paljon, että niitä ei saisi laskettua ennen kuin sekä hän että hänen jatko-opiskelijansa saapuisivat eläkeikään.) Niinpä Will luovutti: hän siirsi jatko-opiskelijat sellaisten ongelmien pariin, jotka voi ratkaista nopeammin ja pisti asian hyllylle.

Nyt 20 vuoden jälkeen Will on palannut huolehtimaan asiasta. Yksi motivaatio on gravitaatioaaltokokeiden yhä suurempi tarkkuus. Hänen laskemansa ilmiöt ovat suunnilleen yhtä isoja kuin nykyiset virherajat, eli niitä ei voi vielä testata, mutta seuraavan sukupolven laitteet pystyvät kenties varmistamaan ovatko ne todellisia, vai kumoutuvatko oudot termit kuitenkin. Vastaavasti tämä gravitaatioaaltojen muotoon vaikuttava lasku pitää ymmärtää tarkasti, jotta törmäävien neutronitähtien rakennetta voidaan tulevissa kokeissa mitata halutulla tarkkuudella.

Lähes 80-vuotias Will kertoi, että ei enää aio laskea niitä kaikkia lukuisia termejä mitä luotettavan ennustuksen tekemiseen tarvitaan. Hän ja hänen ryhmänsä teki työtä vanhaan tapaan, laskien termi kerrallaan. Will totesi, että koska näissä laskuissa ei tarvita hienovaraista ymmärrystä, ne sopivat hyvin algoritmien ratkaistavaksi, ja nuoremmat tutkijat voisivat laskea ne hyödyntämällä koneoppimista. Samantyyppisiä laskuja onkin jo kauan osittain automatisoitu hiukkasfysiikassa, koska kukaan ei voi laskea käsin esimerkiksi LHC–hiukkaskiihdyttimen havaintojen analysointiin tarvittavia kymmeniätuhansia termejä.

Muut ryhmät ovat laskeneet samoja vuorovaikutuksia erilaisilla menetelmillä. Toisin kuin Willin ryhmä, jonka lasku on kenties suoraviivaisin, ne ovat saaneet odotetun tuloksen, jonka mukaan kaukana toisistaan olevien kappaleiden välinen gravitaatio ei riipu niiden yksityiskohdista. Willillä kertoi oman ideansa siitä, mitä muut jättävät huomiotta, ja toiset asiantuntijat IAP:stä esittivät valistuneita arvauksia siitä, mikä voi mennä Willin laskussa pieleen. Vielä ei tiedetä, kuka on oikeassa.

Fysiikassa on paljon spekulaatioita ja ideoita siitä, millä tavalla tunnettuja teorioita voidaan laajentaa ja yleistää. Toisaalta varmennettujen teorioiden puitteissa tehdään huolellisia laskuja, joiden avulla teorian varmennettua pätevyysaluetta kasvatetaan, teorian yksityiskohtia ymmärretään paremmin, ja siitä löydetään uusia puolia testattavaksi. Niin yleisessä suhteellisuusteoriassa kuin myonin magneettisen momentin tapauksessa tarkemmat havainnot vaativat tarkempia ennusteita, ja kestää jonkun aikaa, ennen kuin laskujen yksityiskohdista päästään yhteisymmärrykseen. Tätä kehää pyörittää teknologian kehitys, joka tekee tämän päivän hienoimmista saavutuksista huomisen arkea, ja on sadan vuoden aikana kasvattanut havaintojemme laajuutta ja tarkkuutta enemmän kuin mitä kukaan vuonna 1915 olisi uskonut.

Ilmiönä kiinnostavaa

16.9.2025 klo 21.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin edellisessä merkinnässä tapauksesta, missä Yliopisto-lehti ei kyennyt erottamaan hölynpölyä tieteestä ja esitti totena Tuomo Suntolan perättömiä väitteitä fysiikasta. Lähetin merkinnän Yliopisto-lehden päätoimittaja Marja Pembertonille.

Vastauksessaan Pemberton ei myöntänyt artikkelin virheitä ja piti kiinni siitä, että siinä esitellyllä pseudotieteellä voi olla merkitystä fysiikalle. Hän puolusti artikkelia sanomalla, että se kuvaa ”tieteen kehitystä ja siihen liittyvää keskustelua”. Hänen mukaansa Suntola ei saanut palstatilaa siksi, että on antanut rahaa Helsingin yliopistolle, vaan koska on ”ilmiönä kiinnostavaa”, että fysiikan tutkijat eivät hyväksy Suntolan ideoita ja hän on antanut rahaa filosofian tutkimukseen.

Ei ole yllättävää, että yliopistoa rahoittamalla pääsee otsikoihin. Edellinen perustelu on huolestuttavampi: Helsingin yliopiston lehden päätoimittajan mukaan jonkun henkilön ideat ovat huomionarvoisia siksi, että tiedeyhteisö ei ole hyväksynyt niitä. Kommenttia voi arvioida kahdesta näkökulmasta.

Ensinnäkin voi todeta, että tieteen kiistäminen todella on kiinnostava ja merkittävä yhteiskunnallinen ilmiö. Yliopisto-lehti ei kuitenkaan käsitellyt sitä, vaan osallistui siihen. Aiheesta on monta variaatiota, kuten HI-viruksen olemassaolon tai sen yhteyden AIDSiin kiistäminen, ja ilmastonmuutoksen tai sen yhteyden ihmisten toimintaan kiistäminen. Viimeisimmät tämäntyyppiset laajalle levinneet harhat liittyvät koronaviruksen tai sen yhteyden COVID-19-tautiin kiistämiseen.

Vuonna 2014 Kari Enqvist ja minä kirjoitimme Tieteessä tapahtuu -lehdessä suhteellisuusteorian kiistämisestä, ja totesimme, että ”verrattuna tuhoisiin ilmastonmuutosdenialismiin ja HIV/AIDS-denialismiin suhteellisuusteoriadenialismi on lopulta melko harmitonta”, eikä ”sillä ole ollut merkittävää vaikutusta yleiseen mielipiteeseen”. (Kirjoitin aiheesta myös täällä.) Viime vuosikymmenen aikana tieteen kyseenalaistamisesta on kuitenkin tullut yleisempää ja vaikutusvaltaisempaa, ja suhteellisuusteoriadenialismi on osa tätä kokonaisuutta.

Yhdysvalloissa Donald Trumpin hallinto toteuttaa tiedevastaista ideologiaa leikkaamalla yliopistojen rahoitusta merkittävästi saadakseen niitä tiukemmin poliittiseen ohjaukseen. Tämä ei olisi mahdollista ilman vuosikausien valmistelua. Maaperä on saatu otolliseksi kylvämällä järjetöntä epäilyä yliopistoja ja tiedettä kohtaan. Suomessa perussuomalaiset ja muu äärioikeisto, joiden johdossa ihaillaan Trumpia, ovat ottaneet asiakseen hyökätä tutkijoita ja yliopistoja vastaan.

Joskus luonnontieteiden kuvitellaan olevan näiden poliittisten kamppailujen ulottumattomissa. Yhdysvalloissa leikkausten vaikutukset kuitenkin ulottuvat kaikkiin tieteenaloihin, ja myös ideologisissa perusteluissa viitataan fysiikkaan. Kun Yhdysvaltojen nykyinen varapresidentti J.D. Vance julistivuonna 2021, että yliopistot järjestelmällisesti huiputtavat ihmisiä ja professorit ovat vihollisia, hänen ensimmäinen esimerkkinsä ei ollut politiikan tai sukupuolen tutkimuksen alalta, vaan astrofysiikasta. Viesti on selvä: jos edes luonnontieteen tutkimukseen ei voi luottaa, niin selvästi yliopistot ja tutkijat ovat harhateillä, ja vain ulkopuolelta tuleva tervejärkinen ote voi pelastaa tilanteen.

Yliopisto-lehden artikkeli eroaa tästä siten, että sen taustalla lienee aito kyvyttömyys ymmärtää luonnontiedettä ennemmin kuin pyrkimys edistää poliittista aatetta. Tämä johdattaa toiseen näkökulmaan Pembertonin perusteluihin: miten se, että tiedeyhteisö pitää jonkun ideoita arvottomina eikä niitä hyväksytä alan julkaisuihin voi olla syy niiden esittelemiseen osana tieteen kehitystä? Ja miksi kuvio toistuu ja Helsingin yliopiston lehden toimitus torjuu asiantuntijoiden äänen?

Heti alkuun on syytä todeta, että kyseenalaistaminen kuuluu tieteeseen, ja joskus kriittiseen keskusteluun kuuluu voimakaskin ja perusteisiin menevä arvostelu. Eräs oma pitkäaikainen tutkimusaiheeni, rakenteiden muodostumisen vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen, on hyvin kiistanalainen. Useat kosmologian asiantuntijat ovat todenneet, että idea on päätä vailla, minulle on joskus huudettu puheeni aikana, ja niin edelleen.

Tiedeyhteisössä (kuten kaikissa yhteisöissä) on helpompi saada läpi ideoita, jotka tukevat vallalla olevia ajatuksia kuin kyseenalaistavat niitä, eivätkä yksittäisten asiantuntijoiden arviot aina perustu rationaaliseen harkintaan. Fysiikka, kuten muutkin alat, on myös altis muotivirtauksille ja laumahengelle. Mutta –kuten olen saanut huomata– siinä missä tieteilijät voivat mennä harhaan, tiedeyhteisö on vastaanottavainen uusille ideoille.

Voimakkaan kritiikin ohella sain paljon tukea, minut kutsuttiin puhumaan moniin yliopistoihin ja alan konferensseihin, sain työpaikkoja arvostetuista instituutioista ja niin edelleen, vaikka ideani oli yleisesti hyväksytyn mallin vastainen. Tällä hetkellä on entistä epätodennäköisempää, että tutkimani ilmiön vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen olisi merkittävä, vaikka asiasta ei vielä olekaan varmuutta: tiede ei etene pitämällä kiinni yhdestä suuresta ideasta, vaan eri polkuja kokeilemalla.

Fysiikan lehdissä julkaistaan kymmeniä suhteellisuusteorian laajennuksia ja versioita joka viikko. Suurin osa varioi tuttuja teemoja, monet unohtuvat, jotkut kartoittavat kiinnostavia alueita tai avaavat uusia näkymiä. Sen sijaan sellaisia artikkeleita, joissa kiistetään suhteellisuusteorian perusteet ja sen selitys kappaleiden liikkeille Aurinkokunnassa tai maailmankaikkeuden laajenemiselle ei julkaista. Syy on sama kuin se miksi ei julkaista artikkeleita, joissa kyseenalaistetaan se, että Maa on pyöreä: asia on järkevän epäilyn ulkopuolella.

Avaruuden laajenemisen ja Maan pyöreyden erona on vain se, että edellisen kohdalla asian ymmärtäminen vaatii tieteellistä perehtymistä. Sama pätee toki moniin luonnontieteiden ulkopuolisiin aiheisiin: minä en pystyisi osallistumaan väittelyyn HI-viruksen ja AIDSin yhteydestä, koska minulla ei ole tarpeellisia pohjatietoja. On selvää, että toimittaja ei voi olla kaikkien alojen asiantuntija. Siksi heidän pitäisi pystyä tunnistamaan, milloin he eivät pysty arvioimaan esitettyjen väitteiden paikkansapitävyyttä, ja turvautua ihmisiin jotka siihen kykenevät, kritiikittömän toistelun sijaan.

Joskus asia esitetään luonnontieteiden ja ihmistieteiden välisenä erona, ja selitykseksi tarjotaan sitä, että ihmistieteissä tosiasiat ovat usein vähemmän selvärajaisia kuin luonnontieteessä. On toki totta, että suhde väitteisiin ja totuuteen on erilainen. Olen Helsingin yliopistossa luennoinut kurssia Fysiikkaa runoilijoille, missä pyrin välittämään fysiikan teorioiden sisällön lisäksi fysiikan maailmankuvaa. Monet opiskelijat ovat kokeneet luonnontieteellisen maailmankuvan uutena ja kiinnostavana, ja samalla vaikeana ja hedelmällisenä sovittaa muiden yhteen muiden alojen näkemysten kanssa.

Mutta myös ihmistieteissä on mielekkäiden ja mielettömien väitteiden ero. Jos joku kirjoittaa, että Napoleon olikin Viiltäjä-Jack, kukaan tiedejournalisti ei nosta sitä esimerkiksi tieteen kehityksen kannalta kiinnostavasta keskustelusta, vaan väite tunnistetaan pähkähulluksi, riippumatta siitä kenelle sen esittäjä antaa rahaa.

Ilmeisesti Yliopisto-lehden toimituksessa on toistamiseen käynyt niin, että toimittajat eivät ole tunnistaneet omia rajoituksiaan luonnontieteen saralla, ja päätoimittaja on pitänyt tärkeämpänä puolustaa tehtyjä valintoja sen sijaan että kriittisesti arvioisi työtä asiantuntijoiden palautteen perusteella. Tämä ei ole harvinaista, ja kuvastaa journalistien ja tutkijoiden erilaista suhdetta totuuden selvittämiseen ja kriittiseen keskusteluun.

Taustalla saattaa myös piillä se, että toimittajia usein kiinnostaa vastakkainasettelu ja moniäänisyyden kuvajainen, joskus totuuden kustannuksella. Tämä oli yksi syy siihen, että toimittajat pitkään antoivat ilmastonmuutoksen kiistäjille aiheetonta uskottavuutta tiedotusvälineissä, minkä inhimillinen hinta on mittaamaton. Vaikka pitää edelleen paikkaansa, että HIV/AIDS-denialismin ja ilmastonmuutosdenialismin aiheuttaman kärsimyksen rinnalla hölynpöly suhteellisuusteoriasta on vähäinen sivujuonne, on yleisemmin huolestuttavaa, että Helsingin yliopiston lehdessä ei tunnisteta perusasioita tieteen kehityksestä ja siitä kirjoittamisesta.

Päivitys (25/09/25): Yliopisto-lehden päätoimittaja on omistanut uusimman lehden pääkirjoituksen aiheelle. Pääkirjoituksen mukaan kyse on ”vallitsevan teorian haastamisen” käsittelystä, ja Suntolan ideoiden esittely on järkevää, koska on olemassa vain ”toistaiseksi voimassa oleva totuus”, ja ”totuus muuttuu”. Tämä kehystys korostaa sitä, miten vaarallisilla vesillä Yliopisto-lehti seilaa. Monien mielestä se, että koronavirus aiheuttaa COVID-19-tautia tai ihmisen toiminta vaikuttaa ilmastonmuutokseen ovat väitteitä, jotka kuka tahansa voi kyseenalaistaa ja huomenna voikin olla toisin, riippumatta siitä mitä kaikki alan tutkijat ja julkaistut artikkelit sanovat. Nyt heillä on kaikupohja Helsingin yliopiston omassa lehdessä.

Huippukeksijä rahoittaa

26.8.2025 klo 14.58, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Miten erottaa paikkansapitävä tieto ja perättömät väitteet? Nykyään on tullut tavaksi toistella, että sosiaalisen median takia ihmisten argumentointi ja näkemykset eivät pohjaa tosiasioihin, eikä moni erota faktoja valheista tai kohinasta. Vastaavasti julistetaan vakiintuneiden tiedotusvälineiden merkitystä oikean tiedon välittämisessä. Valitettavasti edes tiedeuutisoinnissa (saati muissa aiheissa) tilanne ei ole niiden osalta ongelmaton. (Olen aiemmin kirjoittanut tiedeuutisoinnista täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä.)

Yksi esimerkki on Yliopisto-lehden numerossa 5/2025 ja Helsingin yliopiston sivuilla julkaistu artikkeli, jonka otsikkona on ”Millainen maailmankaikkeus on? Huippukeksijä rahoittaa filosofian tutkimusta testatakseen vaihtoehtoista fysiikan teoriaa”. Artikkeli esittelee kritiikittä tekniikan tohtori Tuomo Suntolan pseudotieteellisiä väitteitä. Suntola on antanut Helsingin yliopistolle suuren lahjoituksen.

Suntola on tuonut julki ideoitaan maailmankaikkeudesta eri yhteyksissä, muun muassa Luonnonfilosofisen seuran tilaisuuksissa, joissa sekoitetaan tiedettä ja pseudotiedettä. Yliopisto-lehti on yleensä korkeatasoinen julkaisu, joka pitäytyy tieteeseen. Artikkeli kuitenkin antaa aiheesta harhaanjohtavan kuvan ja sisältää virheellisiä väitteitä.

Jo artikkelin otsikko on outo. Fysiikka on empiirinen tiede, jonka teorioita testataan vertaamalla havaintoihin. Filosofiaa rahoittamalla ei siis voi testata fysiikan teorioita, vaikka sillä voikin saada palstatilaa lehdissä.

Artikkeli lähtee liikkeelle fyysikko David Bohmin kvanttimekaniikan teoriasta. Artikkelissa väitetään (ilmeisesti filosofi Paavo Pylkkästä mukaillen), että teoria ”sysättiin syrjään”, koska fyysikot eivät onnistuneet kumoamaan sitä.

On syytä selventää, mistä on kysymys. Kvanttimekaniikka on ennustuksiltaan erittäin onnistunut teoria, mutta sen kuva maailmasta on hyvin erilainen kuin arkikokemuksemme. Tälle on esitetty erilaisia mahdollisia ratkaisuja. Bohm esitti, että kvanttimekaniikan takana on tietynlainen deterministinen teoria. (Aiheesta tarkemmin täällä.)

Bohmin idea ei ole saanut suurta suosiota. Yksi syy on se, että hänen teoriansa ei tee mitään ennusteita, joiden avulla sen voisi erottaa tavallisesta kvanttimekaniikasta. Päinvastoin Bohm rakensi teorian siten, että sen ennustukset ovat täysin samat kuin tavallisen kvanttimekaniikan. Toinen syy on se, että teoriaa on vaikea yhdistää suppeaan suhteellisuusteoriaan, kun taas tavallinen kvanttimekaniikka on hedelmällisesti yhdistetty suppeaan suhteellisuusteoriaan kvanttikenttäteoriassa. Kvanttikenttäteoria on historian tarkimmin testattu fysiikan teoria. Bohmin teorian pohjalta ei ole pystytty toistamaan tätä menestystä.

Tämä ei tarkoita sitä, etteikö kvanttimekaniikan takana voisi olla determinististä teoriaa, ja tällaisia mahdollisuuksia yhä tutkitaan, joskaan ei kovin aktiivisesti. Toistaiseksi idea ei kuitenkaan ole johtanut mihinkään todeksi havaittuun eikä edes teoreettiseen läpimurtoon.

Tämä on hyvin tunnettua, ja noudattaa fyysikoiden ja tieteenfilosofien vakiintuneita käsityksiä siitä, miten empiirisiä teorioita testataan ja milloin ne syrjäyttävät edeltäjänsä. Yliopisto-lehti sen sijaan vetoaa hämäriin väitteisiin sosiaalisesta pääomasta. Bohmia käytetään antamaan Suntolalle uskottavuutta: jos tutkijat aiheetta sivuuttivat Bohmin, niin ehkä on aiheetonta, että he sivuuttavat Suntolan?

Tällainen argumentointi on laadukkaassa tiedejournalismissa harvinaista, mutta pseudotieteestä tuttua. Tämän vihjailun avulla ohitetaan ne kriteerit, millä teorioita arvioidaan. Tutkija ja pseudotieteen arvostelija Carl Sagan kommentoi tällaisia selityksiä seuraavasti: ”Kolumbukselle naurettiin, [höyrylaivan kehittäjä] Fultonille naurettiin, Wrightin veljeksille naurettiin, mutta myös Bozo-pellelle naurettiin.”

David Bohmin teoria kvanttimekaniikasta oli tieteellisesti merkittävä ja otetaan vakavasti, vaikka se ei olekaan ollut hedelmällinen. Suntolan esitykset maailmankaikkeudesta eivät ole herättäneet tieteilijöiden mielenkiintoa eikä niitä ole hyväksytty tieteellisiin lehtiin, koska ne ovat pseudotiedettä.

Yliopisto-lehdessä niitä kuitenkin hehkutetaan virheellisin perustein. Artikkelissa väitetään, että ”2000-luvun alussa Hubble-teleskoopin havainnot supernovaräjähdyksistä kulkeutuneesta valosta eivät selittyneet suhteellisuusteorialla”. Tämä ei ole totta. Vuonna 1998 havaittiin, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy. Tämä oli mullistava löytö, josta myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 2011 ja jonka merkitystä vieläkin tutkitaan. Siihen liittyvät 1990-luvulla ja 2000-luvulla tehdyt havainnot selittyvät suhteellisuusteorian puitteissa.

Artikkelissa myös todetaan, että ”jos jokin havainto, kuten universuminen laajeneminen, ei tunnu sopivan teoriaan, sitä voidaan täydentää pimeän energian kaltaisilla korjauksilla”. Tämä virke on virheellinen. Fyysikko Aleksander Friedmann osoitti vuonna 1922, että yleinen suhteellisuusteoria ennustaa maailmankaikkeuden laajenemisen, vuosia ennen kuin se havaittiin. Pimeän energian kanssa asialla ei ole mitään tekemistä – sen avulla selitettiin havaintoja vasta 1990-luvulla.

Artikkelin tarina jatkuu paikkansapitämättömillä väitteillä Suntolan ideoiden saavutuksista, joiden pohjana vaikuttaa olevan vain Suntola itse. Tuhansien tieteilijöiden vertaisarvioitu tutkimus on hylätty tiedon lähteenä.

Ei ole ensimmäinen kerta, kun Yliopisto-lehti epäonnistuu fysiikasta kirjoittamisessa. Vuonna 2014 se esitteli kritiikittä Arto Annilan ideoita kuin ne olisivat fysiikkaa. Joukko fyysikoita kirjoitti lehteen selventääkseen, että Annilan ajatukset ”eivät kuitenkaan kuvaa vakavasti otettavaa tieteellistä teoriaa” vaan ovat ”pähkähulluja”. Sen sijaan että olisi tunnistanut virheen ja pyrkinyt korjaamaan sen, päätoimittaja Marja Pemberton puolusti artikkelia ja kutsui tutkijat käymään keskustelua Annilan väitteistä.

Oli tyrmistyttävää havaita, että merkittävän tiedelehden päätoimittaja ei kyennyt erottamaan tiedettä pseudotieteestä eikä tieteellistä argumentointia hölynpölystä. Nähtäväksi jää, pystyykö toimitus nyt muuttamaan kurssia, vai jatkaako se tieteen ymmärtämisen heikentämistä.

Matka vapauteen

12.8.2025 klo 21.56, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Millaista on sitoutua atomien hilaan tai tanssia suprajohteessa? Pelasin viime viikonloppuna Turun Tehdas-teatterin ohjelmistossa olevalla Immersion-festivaalilla larpin Superconductivity (suom. suprajohtavuus), jossa eläydyttiin elektroneihin.

Pelin suunnittelija Thomas Steenfeldt Nielsen (Immersionissa pelisuunnittelijat vetävät omia larppejaan) on fysiikan jatko-opiskelija. Hän sai idean larppiin tutustuessaan suprajohtavuuteen (jonka ensimmäiseksi ymmärsivät Vitaly Ginzburg ja Lev Landau) ja miettiessään, miten sitä voisi välittää muille. Larpin aluksi hän tosin kertoi, että sen pelaamiseksi ei tarvitse tietää fysiikasta, eikä sitä pelaamalla opi fysiikkaa. Kyseessä olikin taiteellinen tulkinta elektronien käytöksestä heijastettuna inhimilliseen elämään ja fyysiseen toimintaan, jossa pyrittiin välittämään muotoa ja tuntua sisällön ja faktojen sijaan.

Larpeissa on yleensä keskeistä se, että osallistujilla on hahmo, johon he eläytyvät ja jonka kautta he kokevat tapahtumat ja luovat peliä. Todellisilla elektroneilla ei ole sielunelämää, mutta ne voivat olla korkeaenergisiä, niiden joukon lämpötila voi olla matala tai korkea, ne voivat olla järjestyksessä tai epäjärjestyksessä. Tällaisilla käsitteillä on yhtymäkohtia ihmiselämään. Samoin kuin kieli maalaa fysiikasta inhimillisen kuvan käytettyjen sanojen takia, liike voi tuoda erilaisia ilmiöitä inhimillisen kokemuksen piiriin.

Superconductivityssä elektronit oli sidottu hilaan, jota esitti lattiaan mustalla teipillä merkitty 4×4 ruudukko. Pelaajia oli 16, yksi per ruudun reuna. Larpissa oli viisi näytöstä, jotka kävivät läpi elämän vaiheita. Jokaisessa näytöksessä elektronit aloittivat hilan reunalta, matkasivat aluksi hilan viivoja pitkin, ja saattoivat sitten hypätä ruutuun ja vuorovaikuttaa siellä toisen elektronin kanssa.

Ensimmäisen näytöksen teema oli lapsuus ja uteliaisuus, toisen seikkailu ja spontaanisuus, kolmannen katumus ja rappio, neljännen sekaannus ja kitka, ja viides kuvasi vapaata suprajohtavaa tilaa. Joissakin näytöksissä pelaajat saivat neliöiden sisällä puhua toisilleen virkkeillä, joista kukin sanoo vuorotellen yhden sanan, ja joissakin koskettaa toisiaan, mutta enimmäkseen viestintä perustui liikkeisiin ja ilmeisiin. Sanatonta vuorovaikutusta harjoiteltiin larppia edeltävässä workshopissa, ja pelin alkaessa siihen oli hyvät valmiudet. Tuntui oudolta, kun viimeisessä näytöksessä hahmot saivat yllättäen puhua kokonaisia virkkeitä, kun oli eläytynyt ajattelemaan viestintää vain käsillä, keholla ja yksittäisillä sanoilla.

Liikkumisessa ja tunnelman saavuttamisessa auttoi vaihtuva musiikki, joka ohjasi tahtiin ja mielentilaan. Superconductivity onkin larpin ja tanssipelin sekoitus: nämä osat oli sovitettu hyvin yhteen eikä peli toimisi ilman molempia. Useassa näytöksessä elektronien piti palata neliöistä takaisin hilan viivoille musiikin vaihtuessa. Elektronit saivat myös kaiuttimista ohjeita kokeilijalta, joka yritti saada niitä suprajohtavaan tilaan: tämän ärtynyt suhde elektroneihin, joita oli vaikea saada käyttäytymään halutulla tavalla, kuvasi fyysikon turhautumista kokeiden käytännön ongelmiin.

Superconductivityssä kehollinen toiminta oli keskeistä, ja tanssin välittömällä kokemuksella ratkaistiin onnistuneesti sitä ongelmaa, että elektroneihin eläytyminen on hankalaa niiden epäinhimillisyyden takia: liikkeestä muodostuva kokemus on samaan aikaan välitön, abstrakti ja konkreettisen fysikaalinen.

Larpin narratiivi yhdisti inhimillisen elämän vaiheet kauniisti elektronien kehitykseen kohti suprajohtavuutta. Odotin kuitenkin, että suprajohtavuuden fysiikka olisi ollut enemmän ja tarinallisemmin läsnä. Suprajohtavassa tilassa kaksi toisistaan etäällä olevaa elektronia yhtyy kaukovaikutuksen takia kokonaisuudeksi, joka käyttäytyy kuin yksi hiukkanen, mutta pelissä suprajohtavat elektronit vuorovaikuttivat vapaasti kaikkien kanssa lähellä (vaikkakin yhä vain kaksi kerrallaan), eikä ollut selvää, miksi tilaan päädyttiin.

Pelin ei toki ollut tarkoituskaan noudattaa fysiikkaa täsmällisesti, ja fysikaalinen tarkkuus oli taiteellisen kokemuksen rinnalla toissijaista.

Yksi vertailukohta kirjallisuudessa on Alan Lightmanin kirja Einsteinin unet, jossa unien maailmoja käytetään kosketuspintana suhteellisuusteoriaan. Kuvataiteesta tulee mieleen Metta Savolaisen teoskokonaisuus Ympyrän neliöiminen, jossa matemaattisen tutkimusohjelman päätyminen umpikujaan on kuvattu askel kerrallaan värien ja muotojen avulla. Itse tavoittelin ohjaaja Davide Giovanzanan kanssa tekemässäni vuoden 2013 Talvisirkus Kosmoksen käsikirjoituksessa runollista tulkintaa fysiikan ilmiöistä kauniin toiminnan kautta. Sirkuksessa oli jaossa vihkonen, jossa selitettiin esitysten kuvaamaa fysiikkaa, mutta sitä ei tarvittu niistä nauttimiseen.

Superconductivitystä ei ehkä oppinut fysiikkaa, mutta se osoitti kuinka fysiikka sopii paitsi teknologian ajuriksi myös taiteen käyttötavaraksi.

Päivitys (07/10/25): Tänään ilmoitettiin (jälleen) Nobelin palkinto suprajohtavuuden tiimoilta. Ruotsin kuninkaallisen tiedeakatemian taustamateriaalissa suprajohtavuutta kuvaillaan seuraavasti: ”Joissain materiaaleissa yksittäiset elektronit, jotka puskevat tiensä johtimen läpi saattavat järjestäytyä, muodostaen synkronisoidun tanssin joka virtaa vastusta vailla.”

Tällainen sekoilu

2.7.2025 klo 23.19, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime vuoden tapaan vastailen tänäkin vuonna aamuyöllä Ropecon-tapahtumassa kysymyksiin kosmologiasta ja ties mistä. Mukana on muidenkin alojen Aku Ankan ystäviä.

Ohjelmanumeron nimi on Luulitte, että tällainen sekoilu on lopetettu!, ja se pidetään lauantain 26.7. ja sunnuntain 27.7. välisenä yönä alkaen kello yksi. Sen kuvaus on seuraava:

Never stop the madness, kohta vedetään taas! Akuankkameemeihin perustuva asiantuntijapaneeli kokoontuu vastaamaan mitä haluaa toistensa ja kuulijoiden kysymyksiin erityisesti sekoiluista, joiden luulitte lopetetun! Todennäköisesti Ropeconin akateemisesti meritoitunein ja ponöttävin ohjelma, jota ei oikeastaan suositella minkään ikäisille. Paneelissa erikoiseläinlääkäri Katri, kallonkutistaja Janka, örkkitieteiden tohtori Loponen, toimittaja Maria, juoksuhautoihin kaivautunut Tuomas, ilmastofyysikko Merli, kosmologi Syksy ja pelitutkimuksen dosentti Jaakko. Moderaattorina toimii ortospede Lähdeoja.

Ropeconiin saa lippuja täältä.

---

Helpommin virheistä

18.6.2025 klo 21.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tänään kollegani Jacopo Fumagalli Barcelonan yliopistosta puhui Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarien sarjassa teoreettisten kosmologien kaksi ja puoli vuotta kestäneestä kiistasta sitä, miten käsitellä kvanttifysiikkaa laajenevan maailmankaikkeuden alkuhetkillä.

Väittelyssä on ollut mukana tunnettuja teoreetikkoja ja siitä on kirjoitettu nopeaan tahtiin kymmeniä tieteellisiä artikkeleita. Nyt sumu vaikuttaa hälvenneen, ja Fumagalli on yksi niistä, jotka ovat näyttäneet valoa.

Kiistan alussa ovat muinaiset mustat aukot – tai oikeastaan sellaiset mallit kosmiselle inflaatiolle, jotka tuottavat mustien aukkojen siemeniä. Inflaatio on onnistunein selitys maailmankaikkeuden rakenteiden alkuperälle. Ideana on, että hyvin varhaisina aikoina jokin kenttä (kenties Higgsin kenttä) täyttää avaruuden ja saa sen laajenemiseen kiihtymään.

Avaruuden laajeneminen venyttää kvanttivärähtelyitä hiukkasfysiikan mittakaavasta kosmiseen mittakaavaan. Inflaation loppuessa kenttä hajoaa hiukkasiksi: sinne missä kentän energia on kvanttivärähtelyjen takia isompi, syntyy enemmän hiukkasia. Nämä epätasaisuudet sitten kasvavat gravitaation takia ja lopulta romahtavat galakseiksi, tähdiksi ja muiksi klimpeiksi.

Tämä osa tarinaa on teoreettisesti tunnettu jo 1980-luvulta ja kokeellisesti testattu 1990-luvulta alkaen. Mutta jos inflaatio synnyttää pieniä ison mittakaavan epätasaisuuksia joista syntyy galakseja, voisiko se myös saada aikaan isoja pienen mittakaavan epätasaisuuksia jotka romahtavat mustiksi aukoiksi ja selittävät pimeän aineen? Muinaisten mustien aukkojen tuottaminen inflaation avulla on nykyään hyvin suosittua (minäkin työskentelen sen parissa).

Inflaatio on ainoa fysiikan alue, missä on onnistuneesti yhdistetty yleinen suhteellisuusteoria (joka selittää kiihtyvän laajenemisen) ja kvanttifysiikka (joka selittää epätasaisuuksien siemenet) ja testattu ennusteita havainnoilla. Mutta meillä ei ole kvanttigravitaatioteoriaa, joka kertoisi miten kuvata aika-avaruutta ja gravitaatiota kokonaan kvanttifysiikan keinoin. Osaamme laskea mitä inflaatiossa tapahtuu vain silloin, kun kvanttivärähtelyt ovat pieniä. Mustien aukkojen tuottamiseen tarvitaan kuitenkin isoja massakeskittymiä, ja siis isoja kvanttivärähtelyjä.

Marraskuussa 2022 Jason Kristiano ja Jun’ichi Yokoyama iskivät tähän mahdolliseen ristiriitaan. He väittivät, että mustien aukkojen vaatimat isot kvanttivärähtelyt pilaavat inflaation oikeaksi osoittautuneet ennusteet galaksien siemenistä, ja että tämä sulkee pois inflaation selityksenä mustille aukoille. (Tai ainakin suurimman osan siihen esitetyistä malleista.)

Vahva väite herätti paljon huomiota, ja sekä idean kannattajat että vastustajat panivat tiuhaan tahtiin useita lyhyitä artikkeleita arXiv-nettiarkistoon, missä he arvostelivat toistensa laskuja ja perusteluita. Osa niistä on sittemmin julkaistu vertaisarvioiduissa tieteellisissä lehdissä, mutta ideoiden todenperäisyyttä ei oikeasti tarkisteta vertaisarvioinnissa, vaan silloin kun muut tutkijat vastaavat niihin julkisesti.

Inflaation kvanttifluktuaatioiden toisiinsa kohdistaman vaikutuksen selvittäminen vaatii pitkiä ja huolellisia laskuja. Usein kun fyysikot lähtevät tekemään jotain vaivalloista, he miettivät etukäteen joidenkin yleisten periaatteiden ja karkeiden arvioiden perusteella, mikä vastaus suunnilleen olisi.

Fumagallilla oli selvä näkemys. Hän oli vakuuttunut, että mustista aukoista vastuussa olevat kvanttifluktuaatiot eivät voi vaikuttaa niihin, jotka synnyttävät galakseja, koska ne ovat paljon pienemmässä mittakaavassa. Fysiikassa on tapauksia, joissa pienten pituuksien ilmiöt vaikuttavat isompiin, mutta yleensä eri mittakaavojen tapahtumat ovat erillään. Ei tarvitse tuntea hiekanjyvien yksityiskohtia Maan ja Kuun liikkeiden laskemiseksi.

Fumagallilta sai puolessa vuodessa valmiiksi ensimmäisen artikkelin, missä hän pyrki osoittamaan, että kun kaikki isolta näyttävät kvanttikorjaukset otetaan huomioon, ne kumoavat toisensa. Ajatus oli oikein, mutta lasku väärin, koska Fumagalli oli sivuuttanut osan tärkeistä kvanttikorjauksista. Puutteen korjaaminen kesti yli vuoden, mutta lopulta Fumagalli sai kerättyä kaiken kauniisti yhteen, ja osoitti että jok’ikinen hankalalta näyttävä kvanttikorjaus menee vastakkain toisen samanlaisen kanssa.

Samalla muutkin olivat saaneet yhä huolellisempia laskuja tehtyä, ja tulokset kallistuvat nyt selvästi sen puolelle, että Kristianon ja Yokoyaman osoittamaa ongelmaa ei ole olemassa. Mutta vaikka heidän väitteensä osoittautui vääräksi, se ei ollut turha.

Protofyysikko Francis Bacon totesi 1600-luvulla, että totuus löytyy helpommin virheistä kuin sekaannuksesta. Kristianon ja Yokoyaman esittämä lasku oli selkeä, ja se houkutteli muita tekemään tarkempaa tutkimusta sen osoittamiseksi vääräksi tai oikeaksi. Samalla kun tähän nimenomaiseen kysymykseen saatiin vastaus, niin kehitettiin sekä ymmärrystä että laskumenetelmiä varhaisen maailmankaikkeuden kvanttifysiikalle, millä saattaa vielä olla yllättäviä sovelluksia.

---

Voitto vailla iloa

10.6.2025 klo 13.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Viime viikolla Zoltan Fodor Pennsylvanian osavaltion yliopistosta (ja useista muista instituuteista) puhui Helsingin yliopistolla Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa myonin magneettisesta momentista.

Aihe sai vuonna 2021 paljon julkisuutta, kun hiukkasfysiikan tutkimuslaitos Fermilab pisti ulos lehdistötiedotteen, jonka mukaan sen uudet mittaukset tarjoavat ”vahvaa todistusaineistoa” tuntemattomasta fysiikasta. Sanomalehdet hehkuttivat tulosta Atlantin molemmin puolin: vaikutusvaltainen yhdysvaltalainen julkaisu The New York Times piti uutista verkkosivujensa etusivulla peräti kaksi viikkoa.

Sattumalta Fermilabilta tuli viime viikolla aiheesta uusi lehdistötiedote juuri samana päivänä, kun Fodor puhui Helsingissä. Siinä kehutaan Fermilabin nyt julkistettujen koetulosten parempaa tarkkuutta ja kerrotaan, miten iso ryhmä teoreettisia fyysikoita (Fodorin mukaan vuonna 2020 heitä oli 134, kaksi vuotta myöhemmin yli 200) perusti kansainvälisen yhteisprojektin myonin magneettisen momentin laskemiseksi teoreettisesti.

Vuonna 2020 ryhmän tulos oli pahassa ristiriidassa Fermilabin kokeiden kanssa, ja kun teoreetikot päivittivät ennustusta vuonna 2023, ero kasvoi niin isoksi, että Fermilab olisi voinut julistaa tehneensä löydön, jos sen johto olisi uskonut sekä kokeiden että teoreettisen laskun tulosta. Fermilab ei tehnyt niin. Fodorin työ selittää miksi.

Fermilabin vuoden 2021 tiedote vaikeni siitä, että edellisenä vuonna Fodor ja yhteistyökumppanit olivat julkistaneet laskunsa, jonka tulos oli sopusoinnussa Fermilabin kokeiden kanssa. Uudessa tiedotteessa tätä ei ole ohitettu, mutta pääpaino on pantu sille, että iso teoriaryhmä on uusinut laskunsa ja tulos on nyt lähempänä mittauksia.

Olisi kenties ollut aiheellista mainita, että tämä uusi tulos on räikeässä ristiriidassa saman ryhmän vuosien 2020 ja 2023 laskujen kanssa, eli ne olivat pahasti väärin. Fodor täytti puheessaan Fermilabin tiedotteesta puuttuvat palaset.

Teoreetikoiden joukko, jossa Fodor on mukana, oli Fermilabin mainostamaa ryhmää paljon pienempi. Se myös käytti erilaista menetelmää, ja sen tulos on ollut koko ajan oikein: fysiikassa tutkijoiden lukumäärä tai enemmistön mielipide eivät ratkaise.

Iso teoriaryhmä on korvannut laskun vaikeat osat eri kokeista mitatuilla tuloksilla. Fodorin mukaan jo 2020 oli tiedossa, että osa näistä koetuloksista oli keskenään ristiriidassa, mikä teki niiden yhdistämisestä kyseenalaista. Fodor ja kumppanit laskivat sen sijaan tulokset numeerisesti supertietokoneella. Nämä laskut ovat hyvin vaativia. Niissä pitää täsmällisesti yhdistää kaikki hiukkasfysiikan Standardimallin kolme vuorovaikutusta, sähkömagneettinen, heikko ja vahva.

Fodorin ja kumpp. laskun tulos sopii yhteen kokeiden kanssa miljardisosan sadasosan tarkkuudella. Tämä on voitto fysiikalle ja huolelliselle työlle, missä selvitetään yksityiskohdat seikkaperäisesti. Riemua ei ole silti ilmassa: Fodor totesi, että hän olisi ennemmin halunnut varmistaa löydön.

Ennenaikaiset julistukset eivät ole tavattomia. Vuonna 2011 OPERA-koeryhmä vihjasi löytäneensä ylivalonnopeudella kulkevia neutriinoita ja vuonna 2014 BICEP2-koeryhmä väitti löytäneensä muinaisen maailmankaikkeuden gravitaatioaaltoja. Nyt tilanne on erilainen: Fermilabin verrattoman tarkoissa koetuloksissa ei ole mitään vikaa. (Fodor vertasi tarkkuutta siihen, että henkilövaaka erottaisi yhden silmäripsen painon.) Uudet mittaukset sopivat yhteen aiempien kanssa, ja ovat vahvistaneet niiden luotettavuutta.

Tällä kertaa ongelma oli teorian puolella, mutta yhteistä OPERAn ja BICEP2:n kanssa on se, että julkistushetkellä oli tiedossa avoimia kysymyksiä, joiden takia olisi ollut syytä pysähtyä ja harkita asiaa uudelleen.

Siteerasin vuoden 2021 blogimerkinnässä Fermilabin koeryhmän jäsentä, joka (mielestäni liioitellusti) sanoi myonin magneettisen momentin olevan hiukkasfysiikan viimeinen toivo. Nyt ei ole enää mitään ristiriitaa kokeiden ja teorian välillä. Fodor totesi, että myonin magneettisen momentin saralla kumpikaan ei parane hänen elinaikanaan niin paljon, että voisi odottaa mitään mielenkiintoista. CERNin LHC-kiihdytin jatkaa datan jauhamista, mutta myös hiukkaskiihdytinten osalta vaikuttaa siltä, että ei ole paluuta menneisiin aikoihin, jolloin ne tekivät jatkuvasti löytöjä ja johtivat perustavanlaatuisen fysiikan tutkimusta.

Horisonttia kohti

30.5.2025 klo 23.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin viime viikolla Brysselissä workshopissa NEHOP25 – lyhenne sanoista NEw Horizons in black Hole Physics (suom. UHMA25- Uudet Horisontit Mustien Aukkojen fysiikassa). Tämä oli kolmas vuosittaisessa sarjassa, Napolin ja Edinburghin kokousten jälkeen. Paikkana oli Université Libre de Bruxelles, jonka kampuksella brutalistiset betonisärmiöt pilkistävät vihreiden puiden ja rehevien pensaiden seasta ja korpit hyökkäävät yliopistolaisten kimppuun.

Nyt on mustien aukkojen kulta-aika. LIGO-havaintolaite teki kymmenen vuotta sitten ensimmäisen suoran havainnon gravitaatioaalloista, ja niitä on tullut satakunta lisää. Suurimman osan lähteenä on ollut kaksi toisiaan kiertävää ja yhteen sulautuvaa mustaa aukkoa, minkä takia kaikesta mustiin aukkoihin liittyvästä on tullut suosittua. Muitakin mustiin aukkoihin liittyviä havaintoja on yhä enemmän, esimerkiksi vuonna 2019 Event Horizon Telescope julkisti ensimmäiset valokuvat läheltä mustien aukkojen tapahtumahorisonttia.

Idea siitä, että on olemassa mustia aukkoja, jotka eivät ole syntyneet tähtien romahduksessa vaan paljon aiemmin on sekin saanut piristysruiskeen, ja tämä tapaaminen keskittyi niihin. Aiheesta on juuri ilmestynyt oppikirjakin. Muinaiset mustat aukot saattavat olla pimeää ainetta tai toimia galaksien keskustoissa olevien jättimäisten mustien aukkojen siemeninä.

Ajatuksen mustista aukoista pimeänä aineena esitti jo Stephen Hawking vuonna 1971. Tutkimuksen jatkuvuutta tapaamisessa edustivat vanhat tekijät Bernard Carr ja Michael Hawkins. Carr työskenteli Hawkingin kanssa mustien aukkojen parissa, ja kertoi puhuneensa niistä ensimmäisen kerran konferenssissa vuonna 1973, ennen kuin suuri enemmistö tämän workshopin osallistujista oli edes syntynyt. Tutkimuksen tekemisen taito kulkee kädestä käteen, ja epämuodollisilla keskusteluilla ja tapaamisilla on siinä suuri merkitys.

Suurimman osan tästä 52 vuodesta muinaiset mustat aukot ovat olleet syrjässä fysiikan valtavirrasta, mutta viime vuosina niitä tutkiva yhteisö on kasvanut paljon. Uusia teoreettisia tuloksia tulee tiuhaa tahtia, ja monet ongelmat ovat osoittautuneet vaikeammiksi ja mielenkiintoisemmiksi kuin mitä aiemmin hahmotettiin.

David Wands puhui mustien aukkojen tuottamisesta kosmisen inflaation avulla (minkä parissa itsekin työskentelen), ja totesi, että häntä kiinnostaa ensisijaisesti siihen liittyvien inflaation yksityiskohtien ymmärtäminen, ja vasta toissijaisesti mustat aukot.

Teoreettiset fyysikot ovat ennen kaikkea ongelmanratkaisijoita. Joskus ongelmat osoittautuvat oleellisiksi todellisen maailman ymmärtämisessä, joskus niiden hahmottamisella on yllättäviä seurauksia asioille joita ei ollut alun perin ajatellutkaan. Yksi esimerkki tästä on Hawkingin merkittävin saavutus fysiikassa, hänen mukaansa nimetty mustien aukkojen säteily, jonka Hawking päätyi löytämään pohtiessaan juuri muinaisia mustia aukkoja.

Mustien aukkojen synnyttäminen, olivat ne muinaisia tai nykyaikoina romahtavia, vaatii sitä että massaa pakkautuu hyvin tiiviisti. Jos tällaisia massakeskittymiä haluaa tuottaa kosmisen inflaation kvanttivärähtelyistä –jotka ovat paras selitys galaksien ja muiden isojen rakenteiden alkuperästä– niin värähtelyjen pitää siis olla isoja.

Marraskuussa 2022 Jason Kristiano ja Jun’ichi Yokoyama väittivät, että tällaiset isot kvanttivärähtelyt pilaavat inflaation ennusteet, koska tavallinen tapa laskea niitä pätee vain pienille värähtelyille. Tästä tuli kuuma aihe, josta kirjoitettiin lyhyessä ajassa kymmeniä tieteellisiä artikkeleita. Laura Iacconi esitti puheessaan uuden tavan osoittaa, että nämä isot kvanttivärähtelyt eivät pilaa inflaatiota. Nämä laskut ovat kirkastaneet sitä, miten kvanttifysiikkaa laajenevassa avaruudessa voidaan käsitellä.

Eemeli Tomberg, entinen jatko-opiskelijani ja yhä yhteistyökumppanini mustien aukkojen tutkimuksessa, puhui siitä miten kosminen inflaatio voi joissakin maailmankaikkeuden alueissa jatkua ikuisesti. Tämä saattaa asettaa inflaation ennusteet kyseenalaisiksi (asiasta tarkemmin täällä). Kvanttimekaniikassa läpimurron tehnyt fyysikko John Bell totesi aikoinaan, että suurin osa fyysikoista ajattelee, että ongelmat kvanttimekaniikan tulkinnassa kyllä selviävät kunhan istuu alas ja miettii niitä 15 minuuttia. Oma asenteeni ikuista inflaatiota kohtaan on ollut hieman samanlainen, mutta on oikeasti epäselvää, mistä ratkaisu löytyy.

Jos pimeä aine koostuu mustista aukoista, niin niiden massa voi olla korkeintaan asteroidin massan luokkaa, muuten ne olisi havaittu. Toisaalta massalle tulee alaraja siitä, että liian pienet mustat aukot olisivat höyrystyneet olemattomiin Hawkingin säteilyn takia. (Ellei säteily sitten lakkaa loppuvaiheessa jostain syystä, missä tapauksessa pimeä aine voi koostua jäljelle jäävistä nokareista.)

Viime vuosina on tullut muotiin idea siitä, että mustat aukot eivät höyrysty loppuun asti. Perusteluna on se, että koska mustissa aukoissa on paljon informaatiota ja energian säilymisen takia niiden massa ja siten koko pienenee säteillessä, niin informaatio pakkautuu yhä tiukempaan ja sen saaminen ulos (eli säteileminen) on yhä vaikeampaa. Emme tiedä, mikä on oikea tapa kuvata mustia aukkoja kvanttimekaanisesti, joten teorian kannalta on vaikea sanoa mitään kovin perusteltua tätä ideaa vastaan tai sen puolesta, mutta tässäkin workshopissa oli useita puheita sen mahdollisista seurauksista havainnoille.

Spekulaatioiden vastapainoksi monissa puheissa lähestyttiin mustia aukkoja tarkasti ja huolellisesti vankalla pohjalla olevan fysiikan suunnalta.

Nicolas Esser puhui siitä, miten asteroidin massaiset mustat aukot voisivat törmätä tähtiin ja syödä ne sisältäpäin. Mitä isompi tähti, sitä suurempi todennäköisyys kaapata musta aukko, joten tämä poistaisi näkemistämme tähtiväestöistä raskaan sarjan edustajia. Hän on yhteistyökumppaneineen tarkastellut tätä erittäin himmeiden kääpiögalaksien tapauksessa (samanlaisten, joiden perusteella hiljattain esitettiin, että pimeä aine vuorovaikuttaa itsensä kanssa). Raskaita tähtiä ei näytä puuttuvan, joten tulokset asettavat uuden rajan asteroidin massaisten mustien aukkojen massalle.

Marsin ja Maan etäisyys tunnetaan 70 senttimetrin (eli miljardisosan tuhannesosan) tarkkuudella. On esitetty, että jos musta aukko pyyhältäisi Aurinkokunnan läpi, se häiritsisi Maan ja Marsin ratoja niin paljon, että sen voisi havaita. Valentin Thoss esitteli kenties huolellisimpia toistaiseksi tehtyjä laskuja, ja totesi että tarkkuutta pitäisi itse asiassa parantaa muutamaan senttimetriin, mikä vaikuttaa hankalalta ellei rakenneta juuri sitä varten suunniteltua laitetta.

Itselleni yksi kohokohtia oli Carrin mukaansatempaava ja sydämellinen puhe havainnoista, jotka voivat tukea muinaisten mustien aukkojen olemassaoloa. Hän on monia muita optimistisempi, ja arvioi niiden olemassaolon todennäköisyydeksi (henkilökohtaiseen tuntemukseen perustuen) 80%.

Kokous osoitti, että mustien aukkojen tutkimuksessa teoria ja havainnot etenevät yhdessä, mikä on terveen fysiikan alan merkki. Voi hyvin olla, että seuraavan kymmenen vuoden kuluessa ehdotus mustista aukoista pimeänä aineena on varmistettu tai suljettu pois, mutta emme osaa sanoa, mitä muuta mielenkiintoista polun varrelta löytyy.