Kosmokseen kirjoitettua

Myös me/Us too

10.2.2018 klo 13.33, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

(As the topic, the hiring of Christian Ott at the University of Turku, has attracted international attention, this entry is both in Finnish and English; the English version is below the Finnish text.)

Viime ja tällä viikolla uutisissa on ollut astrofyysikko Christian Ottin palkkaaminen Turun yliopistolle ja työsopimuksen purkaminen. Suomalaisten tiedotusvälineiden lisäksi BuzzFeed on seurannut asiaa. Tapauksesta on keskustelu paljon, ja joistain seikoista on ollut epäselvyyttä. Yritän tässä selventää tilannetta. (Kiitos Turun yliopiston johdolle vastaamisesta kysymyksiin kiireiden keskellä.)

Touko- ja kesäkuussa 2015 Caltechin yliopiston professori Christian Ottin kaksi naispuolista jatko-opiskelijaa teki hänestä virallisen valituksen. Kolmen kuukauden jälkeen asiaa tutkinut komitea totesi, että Ott yksikäsitteisen selvästi syyllistyi ”sukupuoleen perustuvaan häirintään” näitä jatko-opiskelijoita kohtaan. Yliopiston mukaan syynä olivat Ottin ”romanttiset tai seksuaaliset tunteet” toista opiskelijoista kohtaan, ja hänen käytöksensä ”merkittävästi haittasi” tämän opiskelumahdollisuuksia.

Ott laitettiin yhdeksän kuukauden palkattomalle vapaalle, ja häntä kiellettiin tulemasta kampukselle sekä ottamasta yhteyttä opiskelijoihin, joita hän oli häirinnyt. Yliopisto myös päätti, että Ottin ”käytöksessä ja ohjaustavassa täytyy tapahtua selvästi havaittava muutos ennen kuin hän voi olla tekemisissä opiskelijoiden kanssa ilman valvontaa”. Ott valitti päätöksestä, ja valitus hylättiin.

Kolmeen kuukauteen Caltech ei kertonut asiasta julkisesti, mutta BuzzFeedin päästyä vihille yliopisto antoi tammikuussa 2016 virallisen lausunnon tapauksesta, jossa se myös ilmoitti ryhtyvänsä laajoihin toimiin, jotta vastaava ei toistuisi. Tapaus sai paljon huomiota, muun muassa maailman arvostetuimmat laaja-alaiset tiedelehdet Nature ja Science kirjoittivat siitä.

Ott rikkoi saamansa hyllytyksen ehtoja ottamalla yhteyttä toiseen häirinnän kohteista. Yliopisto hyllytti hänet uudelleen vuodeksi. Vuoden 2017 loppupuolella komitea harkitsi, saisiko Ott jatkaa työtään Caltechissä ja antoi asiasta yliopistolle suosituksen. Suositusta ole julkistettu. Saatuaan suosituksen tietoonsa Ott ilmoitti eroavansa Caltechistä joulukuun 31. päivä.

Tammikuussa tuli julki, että Ott on palkattu Turun yliopiston Tuorlan observatorioon vanhemmaksi tutkijaksi kahdeksi vuodeksi maaliskuun alusta alkaen. Tuorlan observatorio oli laittanut marraskuussa avoimeen hakuun kahden vuoden paikan. Ottin tapausta seurannut astrofyysikko Peter Coles arveli, että kyseessä on sama paikka. Ilmoituksessa mainitaan, että työhön kuuluu opetusta ja opiskelijoiden ohjaamista, mikä onkin tavallista. Turun yliopiston johto oli sen sijaan kertonut, että Ottin velvollisuuksiin ei kuulu opetusta eikä ohjausta. Jos kyseessä olisi sama paikka, tämä olisi tarkoittanut, että Ott olisi käytännössä palkittu häirinnästä vähentämällä hänen velvollisuuksiaan. Turun yliopiston johto on kuitenkin varmistanut minulle, että kyseessä on eri työpaikka, eikä Ottin paikka ollut avoimessa haussa. Heidän mukaansa on myös tavallista, että Tuorlan observatoriossa työhön ei kuulu opetusta eikä ohjausta. (Helsingin yliopiston fysiikan osastolla kaikilla on opetusvelvollisuus.)

Vaikka paikat yleensä ovat avoimessa haussa, ei ole tavatonta, että niihin suoraan valitaan joku tietty henkilö, jos siihen katsotaan olevan erityinen syy. (Esimerkiksi minun paikkani Helsingin yliopistossa ei ollut avoimessa haussa.) Mutta Ottin tapauksessa tämä tietysti tarkoittaa sitä, että yliopisto ei ole punninnut toisaalta tutkimusansioita ja toisaalta häirintää, kokonaiskuvaa muihin hakijoihin verraten: Tuorlaan haluttiin nimenomaan Ott.

Asia herätti huolta Suomen tähtitieteilijöiden, astrofyysikoiden ja kosmologien keskuudessa. Joukko heitä (mukaan lukien Till Sawala ja minä), keskusteltuaan yhteisön muiden jäsenten ja Tuorlan observatorion johtajan Juri Poutasen kanssa, muotoili ja julkisti lausunnon, jossa vahvasti tuomitaan häirintä.

Lausunto julkistettiin torstaina 1.2. ja sen allekirjoitti nopeasti yli 80 alan tutkijaa, mukana professoreita kaikista Suomen tähtitieteen laitoksista (Aalto-yliopistosta, Helsingistä, Oulusta ja Turusta). Tämä on suuri osa tähtitieteilijöistä ja astrofyysikoista Suomessa. Suomen Tähtitieteilijäseura ilmaisi jakavansa lausunnon arvot ja vahvasti kehotti jäseniään lukemaan ja, jos ovat samaa mieltä, allekirjoittamaan sen. Tukensa ilmoitti myös yli 180 muiden alojen ja maiden tutkijaa. Heidän joukossaan oli korkeassa asemassa olevia tieteilijöitä, mm. Fysiikan tutkimuslaitoksen johtaja Katri Huitu, Iso-Britannian kuninkaallisen tähtitieteellisen seuran varapuheenjohtaja Hiranya Peiris ja kanadalaisen Dunlap-instituutin johtaja Bryan Gaensler.

Lausunnossa todetaan, että häirintä on vakava rikkomus, joka vaatii aktiivisia toimia. Siinä ei kuitenkaan oteta kantaa mihinkään yksittäiseen tapaukseen, eikä vaadita mitään tiettyjä toimia. Lausunnon lisäksi 19 tähtitieteilijää, astrofyysikkoa ja kosmologia (mukaan lukien minä) lähetti perjantaina 2.2. Turun yliopiston johdolle kirjeen, jossa sitä pyydettiin harkitsemaan uudelleen päätöstä Ottin palkkaamisesta. Johto on voinut saada muitakin yhteydenottoja asian tiimoilta.

Laitoimme lausunnosta tiistaina 6.2. lehdistötiedotteen suomeksi ja englanniksi. Till Sawala totesi siinä, että

”Olen huolestunut siitä viestistä, jonka yhteisömme lähettää. Se, että häirintään syyllistynyt voi vain siirtyä toiseen instituutioon on isku niiden kasvoihin, jotka ovat olleen häirinnän kohteita, ja joiden ura usein kärsii vakavasti sen takia. Kun jopa tutkimuksen yksiselitteiset löydöt sivuutetaan palkkaamisen mahdollistamiseksi, uhrit voivat oikeutetusti kysyä miksi he ottaisivat riskin ja tulisivat julkisuuteen. Tämä olisi katastrofaalinen seuraamus.”

Tiedotteessa emeritusprofessori Esko Valtaoja arvosteli sitä, että hierarkian alemmilla portailla olevia, joilla on suurin riski joutua häirinnän kohteeksi, ei kuultu asiassa: ”Tämän laiminlyöminen ei yksinkertaisesti ole hyväksyttävää nykypäivän akateemisessa maailmassa.”

Aluksi Turun yliopisto kertoi julkisesti, että ”Ottin menneisyys on ollut tiedossa rekrytointia tehtäessä ja asiaa on harkittu tarkasti” ja vakuutti, että sillä on ”nollatoleranssi häirinnän ja kiusaamisen suhteen”. Toisaalta yliopiston johto vetosi siihen, että ”Meillä on asiasta muutakin tietoa mitä julkisuudessa on ollut. Meillä on esimerkiksi hänen entisen esimiehensä kuvaus asiasta, ja ne toimenpiteet mihin siellä ryhdyttiin.”

Tuorlan observatorion johtaja Juri Poutanen kuitenkin kertoi joillekin lausunnon alulle panijoista yksityisesti, että hänen mielestään ei ole mitään todisteita siitä, että Ott olisi syyllistynyt häirintään, joten ei ole mitään mistä huolestua. Hän myös selitti, että Caltechin toteamus ”sukupuoleen perustuvasta häirinnästä” tarkoittaa vain sitä, että jatko-opiskelijat olivat naisia, ei sitä, että häirinnän perusteena olisi ollut sukupuoli. Sen lisäksi, että Poutanen on sen instituutin johtaja, missä Ott olisi työskennellyt, hän olisi ollut myös Ottin esimies.

Ott otti myös yhteyttä joihinkin lausunnon alullepanijoista ja sanoi, että hän voi kertoa asiasta enemmän yksityisesti. Hän kieltäytyi myöntämästä, että olisi syyllistynyt häirintään, sanoen vain, että on tehnyt ”virheitä”.

Vaikka Caltechin komitea oli esittänyt johtopäätöksensä olevan yksiselitteisen selvä, kaikkien tahojen arvioita pitää tietysti voida tarkastella kriittisesti, jos se on aiheellista. Mutta sitä ei voi luotettavasti tehdä kuulemalla pelkästään häiritsijäksi todettua henkilöä ja hänen valitsemiaan tahoja. Jokainen tietysti haluaa esittää asiat itselleen parhain päin, ja ihmiset mielellään puolustavat kavereitaan. Siksi on tärkeää, että häirintäsyytöksiä ja muita kiistanalaisia asioita selvittävät riippumattomat tahot -kuten Caltechin komitea-, jotka kuulevat kaikkia asianosaisia ja tutustuvat kaikkeen dokumentaatioon.

Kuten häirinnän vastaisessa lausunnossa todetaan, häirintään syyllistyminen ei tarkoita sitä, etteikö henkilö voisi enää koskaan olla mukana tiedeyhteisön toiminnassa. Mutta tämän edellytyksenä on se, että hän ymmärtää tehneensä väärin ja ottaa vastuun tekemästään vahingosta.

Poutanen myös kommentoi, että Ottista oli julkisuudessa tehty ”hirviö”, vaikka hän on oikeasti ”mukava mies”. Tässä ollaan asian ytimessä: häirintään syyllistyvät myös tavalliset ihmiset, jotka ovat monissa yhteyksissä mukavia. Häiritsijöiden etäännyttäminen hirviöiksi ei edistä häirinnän torjumista, vaan haittaa sen hahmottamista, miten laajalle levinnyttä ja vakavaa se on.

#MeToo-kampanja on tuonut laajaan keskusteluun sukupuoleen perustuvan häirinnän yleisyyden. Häirinnästä eivät ole vastuussa vain ”ne toiset” tai ”hirviöt”, vaan myös me. Sitä esiintyy kaikenlaisissa yhteisöissä, olivatpa ne akateemisia, ammatillisia tai harrastustoimintaan liittyviä. Hollywoodin elokuvatuottajien kauhistelun sijaan meidän on kunkin tärkeää suunnata katse omaan ympäristöömme ja toimia siinä. (Helsingin yliopistolla on muuten 12.3. asti auki kysely seksuaalisesta häirinnästä.)

Tiedemaailmassa yksi ongelma on se, että vakavaankin häirintään syyllistyneiden nimet pidetään usein salassa. Esimerkiksi kun matemaatikko Lassi Päivärinta vuonna 2014 erotettiin Helsingin yliopistosta, koska hän oli vuosien ajan seksuaalisesti häirinnyt naispuolisia jatko-opiskelijoita, hänen nimeään ei käytetty julkisuudessa. Tämä on saattanut edesauttaa sitä, että hän vain siirtyi Tallinnan teknilliseen korkeakouluun, tai se voi vaikeuttaa häirinnän estämistä jatkossa. (Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta on nyt kiinnittänyt entistä enemmän huomiota häirintään.)

Kun kyse on syytöksistä, nimien pitäminen salassa on perusteltua. Mutta, kuten Peter Coles toteaa, jos henkilö todetaan syylliseksi, on syytä tuoda asia päivänvaloon.

Keskiviikkona 7.2. Turun yliopiston rehtori Kalervo Väänänen ilmoitti, ”kuultua[an] laajasti tiedeyhteisöä”, että Turun yliopisto purkaa Ottin työsopimuksen. Sen sijaan, että Turun yliopisto olisi tyytynyt toimintansa puolustelemiseen, se kuunteli argumentteja ja arvioi asiaa uudelleen. Virheiden toteaminen ja päätösten muuttaminen ei ole isoille instituutioille sen helpompaa kuin yksilöille, ja yliopiston johto ansaitsee kiitokset. Toivottavasti sen toiminta rohkaisee muita ottamaan häirinnän vakavasti.

On vaikuttavaa, miten nopeasti tutkijat ottivat kantaa häirintää vastaan – vaikka onkin huomattava, että lausunnon allekirjoittajat eivät olleet Ottin tapauksesta yksimielisiä. Tapaus näytti, että yhteisö voi vaikuttaa häirintään liittyviin päätöksiin. Myös me voimme muuttaa asioita.

* * *

The decision by the University of Turku to hire astrophysicist Christian Ott, and then cancel his contract, has attracted some attention. In addition to Finnish media, BuzzFeed has covered the case. There has been a lot of discussion about the case, not always with precise information. I will try to clarify things a little. (Thanks to the University of Turku leadership for answering my queries at a busy time.)

In May and June 2015 two female students of Caltech professor Christian Ott filed a complaint about him. After three months, a committee concluded that there was “unambiguous gender-based harassment of both graduate students” by Ott. The university further found that this “was prompted by [Ott’s] romantic or sexual feelings” for one of the students, and that his behavior “significantly and adversely affected” her educational opportunities at Caltech.

Ott was placed on nine months of unpaid leave, and banned from coming to the campus and contacting the students he harassed. The university also decided that “a demonstrable change in behavior and mentoring approach” of Ott “will be required before unmonitored interactions with students can resume”. Ott appealed the decision; the appeal was denied.

For three months Caltech did not address the issue publicly, but after BuzzFeed caught on the university made an official statement in January 2016, where it also announced significant actions to make sure that such a situation would not be repeated. The case received a lot of attention, and was covered by the world’s most respected general science magazines Nature and Science.

Ott violated the conditions of his suspension by contacting one of the students he had harassed. The university suspended him for 12 more months. Towards the end of 2017 a committee considered whether Ott could continue at Caltech, and made a recommendation to the university. The recommendation has not been made public. After being informed of the recommendation, Ott announced that he would resign from Caltech, effective on December 31.

In January it turned out that Ott had been hired at the Tuorla Observatory of the University of Turku as a senior researcher on a two-year contract. The Observatory had announced a two-year position in November. Astrophysicist Peter Coles, who had been following Ott’s case, suggested that this is the same position. According to the announcement, the job includes teaching as well as supervising students, as is common. However, the University of Turku leadership had instead said that Ott’s duties will not include teaching or supervising. Had this  been the same position, it would have meant that Ott would, in effect, have been rewarded for harassment by having his duties lightened. However, the University of Turku leadership has confirmed to me that Ott’s position is a different one, and it was not open for applications. According to them, it is usual that staff at Tuorla Observatory have no teaching or supervision duties. (At the Department of Physics at the University of Helsinki, for example, everyone has teaching duty.)

Although positions are usually open for applications, people are sometimes hired directly, if there is felt to be a special reason for it. (For example, my position at the University of Helsinki was not open for applications.) In Ott’s case, this of course means that the university did not weigh his research credentials on the one hand and harassment on the other, comparing to other applicants: they specifically wanted Ott for Tuorla.

The issue raised concern among astronomers, astrophysicists and cosmologists in Finland. A group of them (including Till Sawala and myself), after discussing with other members of the community and the director of Tuorla Observatory Juri Poutanen, formulated and made public a statement strongly condemning harassment.

The statement was made public on Thursday February 1, and it was quickly signed by over 80 researchers from the field, including professors from all Finnish astronomy departments (at Aalto University, Helsinki, Turku and Oulu). This is a significant fraction of all astronomers and astrophysicists in Finland. The Finnish Astronomical Society announced that it endorses “the concepts and morals of the statement” and “strongly encouraged” members to read, and if they agree, sign the statement. It was also supported by over 180 researchers from other fields and countries. They included internationally prominent scientists, such as director of the Helsinki Institute of Physics, Vice President of the British Royal Astronomical Society Hiranya Peiris, and Canadian Director of the Dunlop Institute Bryan Gaensler.

The statement notes that harassment is a grave offence, which must be addressed head-on. However, it did not refer to any specific case, nor call for any specified action. In addition to the statement, 19 astronomers, astrophysicists and cosmologists (including me) sent on Friday February 2 a letter to the leadership of the University of Turku, calling on them to reconsider the decision to hire Ott. The leadership may also have received other feedback on the issue.

We issued a press release on Tuesday February 6 in Finnish and English. Till Sawala commented:

“I am troubled by the message we are sending as a community. When a harasser can simply move to another institution, it is a slap in the face of individuals who suffer harassment, and whose careers are often severely disrupted as a result. And when even the unequivocal findings of an investigation are discounted in order to enable a hire, victims might rightly ask why they should risk raising the alarm. That would be a catastrophic outcome.”

In the press release, emeritus professor Esko Valtaoja criticised that those on the lowest rungs of the hierarchy, who face the greatest risk of harassment, had not been heard in the process: “Failure to do so is simply not acceptable in today’s academic world.”

Initially the University of Turku said in public that they were aware of Ott’s past during the recruitment process, had considered the issue carefully, and that the university has “zero tolerance for harassment and bullying”. At the same time, the university leadership appealed to being in possession of more information than what was available in public, including for example the description of events by Ott’s former superior, and the actions taken at Caltech.

However, the Tuorla Observatory director Juri Poutanen told some of the initiators of the statement in private that in his view there is no evidence that Ott was guilty of harassment, so there was nothing to worry about. He also explained that the Caltech finding of “gender-based harassment” simply referred to the fact that the students were female, not that the harassment would have been based on gender. In addition to being the head of the institute where Ott would have worked, Poutanen would also have been his superior.

Ott also contacted some of the initiators of the statement, saying that he can give more details on the issue in private. He declined to admit that he would have been guilty of harassment, simply saying that he has made “mistakes”.

Although the committee at Caltech had presented its conclusions as “unambiguous”, all evaluations can of course be subjected to criticism when necessary. But this cannot be reliably done by only listening to a person who has been found to have harassed and those he puts forth. Everyone of course wants to show themselves in the best possible light, and people like to defend their friends. This is why it is important that allegations of harassment and other controversial matters are studied by independent entities -such as the committee at Caltech- who hear everyone involved and look at all documentation.

As the statement against harassment notes, being guilty of harassment doesn’t mean that the harasser can never take part in the scientific community again. But the condition for that has to acknowledging of misconduct and taking responsibility for damage cause.

Poutanen also commented that Ott had been made into a “monster” in public, even though he is actually a “nice man”. This cuts to the heart of the matter: harassment is perpetrated also by ordinary people, who can in other contexts can be quite nice. Othering harassers into monsters does not promote preventing harassment, but rather makes it more difficult to see how widespread and serious it is.

The #MeToo campaign has opened up public discussion about how common gender-based harassment is. Harassment is not perpetrated only by “the others” or “monsters”, but us too. It is a feature of all communities, whether they are academic, professional or hobby-related. Instead of gawking at Hollywood film producers, it is important for each of us to direct our attention to our own environment and take action there. (By the way, an inquiry about sexual harassment at the University of Helsinki is open until March 12.)

In science, one problem is that the names of those guilty of even serious harassment are often not made public. For example, when the mathematician Lassi Päivärinta was fired from the University of Helsinki in 2014 for having sexually harassed multiple graduate students over a period of years, his name was not used in public. This may have helped him to simply move to the Tallinn University of Technology, or it may make it more difficult to prevent harassment by him the future. (The Faculty of Science at the University of Helsinki has now paid increased attention to harassment.)

When only allegations are concerned, there are good grounds for withholding names. But as Peter Coles has noted, when a person is found guilty, things should be brought to light.

On Wednesday February 7, University of Turku Rector Kalervo Väänänen announced, “after extensively hearing the science community”, that the university will cancel Ott’s contract. Instead of settling for simply defending its position, the University of Turku listened to concerns expressed and re-evaluated the matter. Admitting mistakes and reversing course is no easier for large institutions than it is for individuals, and the university leadership deserves congratulations. Hopefully their actions will encourage others to take harassment seriously.

It is significant how rapidly researchers took a stand against harassment – although it should be noted that signatories to the statement were surely not unanimous in their view about Ott’s case. This was an example of how a community can affect decisions related to harassment. Us too can change things.

---

Riippuvuuden oireita

30.1.2018 klo 22.32, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

FinELib allekirjoitti 17. tammikuuta Elsevierin kanssa sopimuksen, jonka mukaan sen jäseninstituutioiden tutkijat saavat pääsyn Elsevierin julkaisuihin sekä 50% alennuksen open access -maksuista. FinELib on suomalaisia korkeakouluja, tutkimuslaitoksia ja kirjastoja edustava konsortio. Elsevier on suuryritys, jonka bisnesmalli perustuu tutkijoiden palkattoman työn hyödyntämiseen, millä se kerää ennätyksellisiä voittoja tieteen kustannuksella.

Sopimuksesta on julkaistu Elsevierin markkinointipuheella kyllästetty lehdistötiedote sekä FinELibin tiiviste ja ohjeet tutkijoille. Helsingin yliopiston kirjasto kertoo sopimuksen taustoista blogissaan. Pääsy Helsingin yliopiston asiaa koskevaan tiedotteeseen ja keskusteluun on, Helsingin yliopiston avoimuudelle tyypillisesti, suljettu yliopiston ulkopuolisilta.

Sopimusta edelsivät pitkät neuvottelut, joiden tueksi yli 2 700 tutkijaa sitoutui olemaan vertaisarvioimatta julkaisuja Elsevierille ellei tämä alenna hintojaan. (Minäkin allekirjoitin sitoumuksen, vaikka en muutenkaan viitsi tehdä työtä Elsevierille, varsinkaan ilmaiseksi.) Saksassa on käynnissä sama prosessi, ja siellä joukko professoreita on eronnut Elsevierin lehtien toimituskunnista.

Saksassa (toisin kuin Suomessa) yksittäisten tutkijoiden lisäksi myös yliopistot ovat ottaneet käyttöön painostuskeinoja. Ne ovat lopettaneet Elsevierin lehtien tilauksia ja harkinneet kustantamon hylkäämistä lopullisesti. Lyhyen tauon jälkeen Elsevier jatkoi yliopistojen pääsyä julkaisuihinsa ainakin tilapäisesti, vaikka sille ei maksettu. Mahdollisesti kustantamo pelkäsi, että tutkijat huomaavat pärjäävänsä ilman sitä. Charité–Berlinin lääketieteellisen korkeakoulun lääketieteen kirjaston johtaja Ursula Flitnerin kommentti kuvaa asetelman nurinkurisuutta:

“Nobody wants Elsevier to starve – they should be paid fairly for their good service. The problem is, we no longer see what their good service is.”

Voi kysyä, eikö tutkijoiden ja yliopistojen vastuulla ole huolehtia omien resurssien tehokkaasta käytöstä tieteen edistämiseen – ei siitä, saavatko suuryritykset tarpeeksi voittoja? Toisaalta sitaatti osoittaa, että yhä enemmän kyseenalaistetaan yritysten kukkaroiden kartuttamista tilanteessa, jossa niiden tuotteita ei pidetä tarpeellisina ja korkeat hinnat haittaavat kirjastojen perustoiminnasta huolehtimista.

Tieteellisen kustantamisen bisnes on omituista. (Olen kirjoittanut asiasta tarkemmin täällä,  täällä, täällä ja täällä. Täältä löytyy puheeni aiheesta.) Ensin tutkijat kirjoittavat artikkelit ja vertaisarvioivat ne, hoitavatpa usein ulkoasunkin, ilman mitään palkkiota kustantajalta. Sitten tutkijat maksavat kustantajalle siitä, että tämä julkaisee artikkelit ja sen jälkeen heidän instituuttinsa maksavat siitä, että tutkijat saavat lukea niitä. (Joskus maksetaan vain julkaisemisesta tai vain lukemisesta.) Kirsikka kakun päällä on se, että fysiikassa, matematiikassa ja yhä useammilla muilla aloilla julkaisut ovat ilmaiseksi luettavissa nettiarkistoista, kuten arXivista, ennen kuin kustantajat tulevat mukaan kuvioihin. Usein kustantajat itse asiassa rajoittavat artikkelin vapaata saatavuutta.

Tutkijat osallistuvat leikkiin siksi, että lehdet järjestävät vertaisarvioinnin, jonka antamaa laatuleimaa käytetään tutkijoita ja heidän instituuttejaan arvioitaessa. Kaupallisten kustantajien lisäksi on olemassa tieteellisten yhteisöjen lehtiä sekä nykyaikaisia ns. overlay-julkaisuja, jotka keskittyvät vain vertaisarviointiin. Mutta joillakin aloilla kaupallisilla kustantajilla on vieläkin keskeinen rooli.

FinELibin ja Elsevierin sopimus, joka leikkaa lehtien kustannuksesta 50%, voi lyhyellä aikavälillä parantaa tilannetta, mutta samalla se ylläpitää järjestelmää, jossa yliopistot ja kirjastot maksavat vertaisarvioinnista yli 10 000% (siis yli sata kertaa) ylimääräistä. Aina kun tutkija julkaisee Elsevierin lehdessä, merkittäviä summia siirtyy pois tieteestä kustantajalle. Julkaisumaksut ovat tyypillisesti 1 000-3 000 dollaria per artikkeli – Elsevierin hinnasto on täällä.

Riippuvuuden ruokkimisen sijaan korkeakoulut ja kirjastot voisivat olla edelläkävijöitä tieteellisen tiedonvälityksen kehittämisessä ja resurssien kestävässä käytössä aloittamalla yhteistyön eri alojen johtavien tutkijoiden kanssa nykyaikaisten, kustannustehokkaiden vertaisarvioinnin käytäntöjen järjestämiseksi. Tutkijoilla juuri ei ole motiivia ryhtyä korjaamaan ongelmaa, jonka vaikuttaa heidän työhönsä vain epäsuorasti, eivätkä maksujen alla kärsivät kirjastot voi päättää siitä, missä tutkijat julkaisevat eivätkä perustaa uusia julkaisuja ilman tutkijoita. Vaihtoehto kirjastojen ja tutkijoiden yhteistyölle on toivoa, että tilanne korjaantuu itsestään ja odottaessa heittää tiedebudjeteista miljardeja euroja hukkaan joka vuosi.

Pastaa syvemmälle

18.1.2018 klo 23.43, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mustien aukkojen lisäksi LIGOn, Virgon ja tulevien gravitaatioaaltodetektorien odotetuimpia kohteita ovat neutronitähdet. Lokakuussa ilmoitettiin ensimmäisestä törmäyksestä, jossa ainakin toinen osapuoli on neutronitähti. Tapahtuma oli havaittu viime elokuussa, ja vastaavia odotetaan lisää LIGOn ja Virgon aloittaessa taas tänä syksynä päivityksen jälkeen.

Selittelen tässä hieman siitä, mitä neutronitähdet ovat, miksi ne ovat kiinnostavia ja mitä niiden törmäyksistä voidaan oppia. Aleksi Kurkela Stavangerin yliopistosta piti tänään Helsingin yliopistossa fysiikan laitoksella seminaarin aiheesta, mihin tämä merkintä osittain perustuu; Helsingissä alan asiantuntija on Aleksi Vuorinen.

Neutronitähdet ovat mustien aukkojen jälkeen äärimmäisimpiä tunnettuja kappaleita maailmankaikkeudessa (jos mustia aukkoja sopii kutsua kappaleiksi). Neutronitähti syntyy, kun yli kahdeksan Auringon massan painoinen tähti romahtaa ydinpolttoaineen loputtua. Romahdus sytyttää ydinräjähdyksen, joka heittää suurimman osan tähden aineesta avaruuteen. Gravitaatio pusertaa jäljelle jääneen osan tiheäksi paketiksi, neutronitähdeksi. Neutronitähden massa on yhdestä kahteen Auringon massaa tai vähän yli – kevyempi ei pysyisi kasassa, raskaampi romahtaisi mustaksi aukoksi – mutta säde vain kymmenen kilometrin luokkaa.

Neutronitähden tiheys on niin iso, että sitä on vaikea sovittaa arkiseen mittakaavaan. Punasolun verran neutronitähteä painaa yhtä paljon kuin ihminen, hiuksen kokoinen pala painaa enemmän kuin Haltitunturi, mehutölkin tilavuudessa on massaa kuin Mount Everestissä. Näissä vertauksissa joko tilavuus tai massa on inhimillisten mittojen tuolla puolen, mutta toisaalta neutronitähdet juuri suurentavat pienen mittakaavan ilmiöitä inhimillisesti hahmotettaviin mittoihin.

Kurkela kutsuikin neutronitähtiä leikillisesti femtoskoopeiksi: niitä tarkkailemalle ei saada tietoa mikrometrin mittakaavan tapahtumista kuten mikroskoopeilla, vaan pannaan miljardi kertaa pienemmäksi ja luodataan femtometriin eli 10^(-15) metriin. Tämä tarkoittaa sitä, että neutronitähdissä näkyy arkisissa mitoissa ilmiöitä, jotka ovat yleensä merkittäviä vain atomiydinten mittakaavassa.

Karkea kuva neutronitähdestä onkin, että se on kuin valtava atomiydin, jossa on enimmäkseen neutroneita. Gravitaation puristaessa syntyräjähdyksen jälkeen ainetta lähemmäs keskustaa tiheys kasvaa niin isoksi, että atomiytimet kohtaavat. Ytimet koostuvat neutroneista ja protoneista. Kun niiden tiheys kasvaa, protonit yhtyvät ytimiä kiertäviin elektroneihin ja muuttuvat neutroneiksi. Vapautuva energia pakenee tähdestä neutriinoina.

Tuon kuvauksen tarkkuus on suunnilleen sama kuin jos sanoisi Maan olevan kivipallo.

Neutronitähtien yksityiskohtainen rakenne on monimutkainen, eikä sitä vielä täysin tunneta. Uloimpana on, kuten Maalla, ilmakehä. Suomeksi ilmakehä (engl. atmosphere) saattaa tosin olla tässä hieman harhaanjohtava termi, koska kyseessä on vapaista ytimistä ja elektroneista koostuva plasma, jonka lämpötila on kymmenisen miljoonaa astetta. Ilmakehän syvyys on kymmenen metriä. Sen jälkeen on sadan metrin paksuinen ulkokuori, joka koostuu neutronipitoisista ytimistä.

Ulkokuoren alle sukellettaessa vastaan tulee sisäkuori, jossa neutronit alkavat vuotaa ytimistä ulos. Siellä saattaa kohdata erilaisia ytimistä koostuvia rakenteita: pallomaisia (lihapullat), kiinteitä sylintereitä (spagetti), levymäisiä (lasagne), kolmiulotteisia onkaloita (ravioli, reikäjuusto) ja onttoja sylintereitä (ziti). Nämä uivat neutroneista koostuvassa nesteessä (kastike): kuutiometri sitä painaa enemmän kuin Itämeri. Edellä on suluissa rakenteiden muotoa kuvaava tekninen termi; kokonaisuus tunnetaan nimellä ydinpasta.

Sisäkuoren jälkeen tulee ulompi keskusta, missä aine muuttuu täysin nestemäiseksi, ja mahdollisesti suprajuoksevaksi ja suprajohteeksi. Ei oikein tiedetä mitä sisemmässä keskustassa tapahtuu. On mahdollista, että aine valahtaa siellä todelliseen perustilaansa, joka saattaa koostua up– ja down–kvarkkien, neutronien rakennuspalikoiden, lisäksi myös strange-kvarkeista. Tässä tapauksessa keskustaa ei pidä kasassa gravitaatio, vaan kvarkkien väliset vuorovaikutukset riittävät sitomaan sen yhdeksi kokonaisuudeksi. Voi myös olla, että keskustassa kvarkit eivät muodosta mitään rakenteita, vaan elävät vapaina. Kvarkit olivat vapaita varhaisessa maailmankaikkeudessa, ennen mikrosekunnin ikää, ja samankaltaiseen tilaan päästään hetkellisesti CERNin LHC:n ja muiden kiihdytinten törmäyksissä.

Ydinfysiikkaa on tutkittu paljon viime vuosisadan alkupuolelta lähtien. Voi siis tuntua kummalliselta, että ei osata sanoa, mitä neutronitähdissä tarkalleen tapahtuu. Tähän on kaksi syytä.

Ensinnäkin, ydinfysiikka on hankalaa, koska neutronit ja protonit eivät ole alkeishiukkasia, ja sisärakenteensa takia ne voivat vuorovaikuttaa monilla eri tavoilla. Osansa on myös sillä, että on monia muitakin kvarkeista koostuvia hiukkasia, jotka pitää ottaa huomioon ydinainetta tarkasteltaessa.

Toisekseen, Maassa vallitsevissa olosuhteissa ytimissä on suunnilleen yhtä paljon protoneita ja neutroneita, kun taas neutronitähdissä protoneita on vain muutama prosentti; loput ovat muuttuneet neutroneiksi. Niinpä Maan päältä ei ole havaintoja neutronitähtien kaltaisesta aineesta: kiihdyttimissä päästään samoihin tiheyksiin, mutta niissä ytimet ovat paljon kuumempia ja siksi niiden ymmärtäminen on helpompaa.

Juuri tämän takia neutronitähdet ovatkin kiinnostavia: kilometrien mittakaavan tapahtumat paljastavat ydinfysiikan tuntemattomia yksityiskohtia. Mitä voimakkaammin keskustan hiukkaset ovat sitoutuneet toisiinsa vuorovaikuttavat, sitä jäykempi neutronitähti on. Vapaista kvarkeista ja gluoneista koostuva plasma on esimerkiksi pehmeämpää kuin tiukasti pakatuista ytimistä koostuva aine. Mitä jäykempää aine on, sitä isompi neutronitähti voi olla: pehmeä aine lysähtää.

Siispä tarkoista mittauksista neutronitähtien koosta ja massoista voi lukea sen, miten ytimet käyttäytyvät hyvin tiheissä olosuhteissa. Kansainvälisellä avaruusasemalla oleva NICER-koe pyrkii mittaamaan joidenkin neutronitähtien koon (massa tunnetaan jo hyvin) kahden prosentin tarkkuudella niiden lähettämien röntgensäteiden avulla. Tämä kirkastaisi käsitystämme kvarkeista ja gluoneista koostuvan aineen käyttäytymisestä huomattavasti. Tuloksia odotetaan tämän kevään aikana.

Toinen tapa saada tietoa neutronitähtien koostumuksesta on niiden törmäyksistä tulevat gravitaatioaallot ja sähkömagneettiset aallot. Mitä kovempaa aine on, sitä kookkaampi neutronitähti on. Isompi tähti venyy helpommin kiertäessään seuralaista ennen törmäystä, mikä muuttaa parin lähettämiä gravitaatioaaltoja. Lokakuussa ilmoitetussa parissa ei tällaista venymistä näkynyt, mikä rajoittaa sitä, kuinka kova keskusta voi olla. Jos kahden neutronitähden törmäyksen tuloksena on neutronitähti, niin törmäyksen jälkeiset gravitaatioaallot myös kertovat siitä, millaista aine on. Mitä kovempaa aine on, sitä tiukemmin se värähtelee, ja sitä isompi on aaltojen taajuus. Viime elokuun parin kohdalla törmäyksen jälkeinen gravitaatioaaltosignaali oli liian heikko havaittavaksi (ja niistä luultavasti syntyi musta aukko), joten tämän ilmiön löytäminen on vielä edessä.

Muita kiehtovia asioita ovat vinhasti pyörivien neutronitähtien pinnalle olevien millimetrin korkuisten vuorten lähettämät gravitaatioaallot, samaisten pyörivien tähtien lähettämien radiosignaalien käyttäminen kelloina, pimeän aineen mahdollinen vaikutus keskustassa, äärimmäiset magneettikentät ja yleisen suhteellisuusteorian testaaminen neutronitähtien avulla. Näiden aiheiden käsittely ei tähän mahdu, mutta palannen joihinkin niistä myöhemmin, viimeistään uusien havaintojen myötä.

Päivitys (20/01/18): Tein tekstiin kaksi korjausta, jotka on merkitty yliviivauksella.

Ensinnäkin, jos neutronitähden keskusta koostuu up-, down- ja strange-kvarkeista, niin se tuskin pysyy kasassa ilman gravitaatiota. (Toisin kuin sellainen –epätodennäköinen– tilanne, jossa neutronitähdet koostuvat kokonaan strange-kvarkkeja sisältävästä aineesta.)

Toisekseen, sekä puoleensavetävien että hylkivien vuorovaikutusten voimakkuuden kasvu keskustassa voi johtaa jäykempään aineeseen, ja pääasiassa on kyse hylkimisestä.

Kiitos Aleksi Vuoriselle korjauksista.

---

Puhetta ajasta

8.1.2018 klo 18.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Juttelen ensi viikon maanantaina 15.1. kello 18.00 Teatterikorkeakoulun alumniklubilla ohjaaja Leea Klemolan ja Helsingin piispa Teemu Laajasalon kanssa otsikolla Elämä ja henki – kauanko nyt on aikaa? Taide, tiede ja uskonto liikkeessä kohti uutta ajattelua. Keskustelua puheenjohtaa alumniyhdistyksen hallituksen jäsen Kirsikka Moring.

Puhun tiistaina 13.2. kello 18.30 Kirkkonummen komeetan tilaisuudessa ajasta ja aikamatkustuksesta fysiikan näkökulmasta otsikolla Teatterin kellosta mustien aukkojen syövereihin: mitä tiedämme ajasta ja aikamatkailusta?.

Tilaisuuksiin on vapaa pääsy.

Päivitys (12/02/18): Korjattu Kirkkonummen tilaisuuden kellonaika ja linkki.

---

Aika-avaruuden atomit

29.12.2017 klo 17.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

1800-luvun lopulla havaintojen tarkkuus ylitti klassisen fysiikan pätevyysalueen rajat. Perustavanlaatuisten lakien etsintä haarautui kvanttifysiikkaan ja suhteellisuusteoriaan. Edellinen on johtanut kvanttikenttäteoriaan, joka kuvaa ainetta, jälkimmäinen yleiseen suhteellisuusteoriaan, joka kuvaa aika-avaruutta ja gravitaatiota. Niiden reittien pitäisi risteytyä, mutta toistaiseksi yhtymäkohtaa ei ole löydetty.

Kvanttikenttäteoria osataan kyllä (joten kuten) upottaa yleiseen suhteellisuusteoriaan, eli tiedetään miten käsitellä kvanttikenttiä kaarevassa aika-avaruudessa. Mutta vielä ei hahmoteta, miten aika-avaruutta itseään pitäisi kuvata kvanttifysikaalisesti, vuosikymmenten kiivaista yrityksistä huolimatta. (Kosminen inflaatio on poikkeus: se on fysiikan ainoa alue, missä aika-avaruutta on kuvattu kvanttikenttäteorian keinoin ja tehty ennusteita joita havainnot vastaavat. Mutta inflaatio rajoittuu hyvin yksinkertaiseen tapaukseen.) Toisin sanoen ei ole löydetty kvanttigravitaatioteoriaa, josta yleinen suhteellisuusteoria on approksimaatio, kuten Newtonin mekaniikka on approksimaatio kvanttimekaniikasta.

Muiden vuorovaikutusten tapauksessa kvanttiteorian löytäminen on helpompaa, koska niissä aika-avaruus on kiinnitetty, ajan kulku ja avaruuden muoto voidaan ottaa annettuna. Kvanttigravitaatiossa ei tulla valmiiseen pöytään, kaikki pitää tehdä alusta alkaen.

Yksinkertaisin tapa lähestyä tätä ongelmaa on tarkastella tilannetta, jossa gravitaatio on heikko eli aika-avaruuden kaarevuus on pieni. Näin on esimerkiksi silloin, kun tarkastellaan sitä, miten kappaleet näyttävät vetävän toisiaan puoleensa. (Esimerkkejä vastakkaisesta tapauksesta ovat mustat aukot ja maailmankaikkeuden laajeneminen.) Tällöin gravitaatiota voidaan käsitellä kuin kyseessä olisi kenttä annetussa aika-avaruudessa, ja siihen voidaan soveltaa samoja reseptejä kuin muihinkin kenttiin.

Ongelmaksi muodostuu kvanttikenttäteorian totalitaristinen periaate, jonka mukaan teoria sisältää kaikki mahdolliset tavat, millä kentät voivat vuorovaikuttaa. Yleensä näitä ei ole monta: esimerkiksi sähkömagnetismin kvanttikenttäversiossa, kvanttielektrodynamiikassa, fotonikenttä ja elektronikenttä voivat kytkeytyä toisiinsa vain yhdellä tavalla. Kun ei tarkastella kvanttifysiikkaa, yleisen suhteellisuusteorian rakenne on tarkkaan määrätty ja yksinkertainen. Kvanttiteoriaan siirryttäessä tämä kaunis yksinkertaisuus menee pilalle, ja teoriaan tunkee äärettömän monta erilaista tapaa, jolla gravitaatiokenttä vuorovaikuttaa itsensä ja muiden kenttien kanssa.

Mikä pahinta, tämä kvanttigravitaatioteoria ei kerro kuinka voimakas kukin näistä vuorovaikutuksista on, vaan se pitää määrittää kokeellisesti. Koska erilaisia vuorovaikutuksia on äärettömän monta, pitäisi tehdä äärettömän monta mittausta, jotta kaikkien voimakkuuden saisi selville, joten teoriasta ei voi ennustaa mitään, ja vaikuttaa siltä kuin sitä ei voisi käyttää mihinkään. On erilaisia ehdotuksia, miten päästä ulos tästä umpikujasta.

Kvanttiteorian vaatimien uusien vuorovaikutusten voimakkuus kasvaa aika-avaruuden kaarevuuden kasvaessa ja nykyään kaarevuus on pieni (muualla kuin mustien aukkojen lähistöllä), eikä niistä näy jälkeäkään. Niinpä jos teoria pitää paikkansa, uudet vuorovaikutukset ovat merkittäviä vain silloin kun kaarevuus on iso, esimerkiksi varhaisessa maailmankaikkeudessa (kenties inflaation aikana) tai mustien aukkojen lähettyvillä. Tällöin uudet vuorovaikutukset voidaan unohtaa kaarevuuden ollessa pieni ja keskittyä tunnetun gravitaatiovuorovaikutuksen kvanttikäyttäytymiseen.

Tällä tavalla voidaan laskea esimerkiksi kvanttigravitaatiokorjaus Newtonin painovoimalakiin. Muutos omenan putoamiseen Maan päällä on suuruudeltaan 10^(-83), mitättömän pieni jopa hiukkasfysiikan standardeilla. Vertailun vuoksi maailmankaikkeuden toisella laidalla 50 miljardin valovuoden päässä asustelevan muurahaisen (jos siellä olisi muurahaisia) vaikutus Maassa putoavaan omenaan on sata kertaa isompi.

Lähestymistavan puute on se, että se ei anna mitään osviittaa siitä, mitä tapahtuu, kun gravitaatiokentät ovat vahvoja (jolloin koko rakennelman toimivuus on muutenkin kyseenalainen).

Hieman kunnianhimoisempi ehdotus on se, että vaikka uusia vuorovaikutuksia on äärettömän paljon, niiden voimakkuudet liittyvät toisiinsa siten, että vain muutama niistä on riippumaton, loput määräytyvät niistä. Ajatuksena on, että gravitaation voimakkuuden kasvaessa teoriasta paljastuu tiukempi rakenne, jota ei näe heikkoihin kenttiin pidättäydyttäessä. Tätä asymptoottisena turvallisuutena (engl. asymptotic safety) tunnettua ideaa on tutkittu toistaiseksi vain pienellä joukolla uusia vuorovaikutuksia, eikä sen yleistäminen äärettömän monen vuorovaikutuksen tapaukseen ole suoraviivaista. Se näyttää kuitenkin toimivan yllättävän hyvin: kolmen vuorovaikutuksen voimakkuus riittää määräämään kymmeniä muita, aivan kuten odottaisi, jos idea pitää paikkansa.

Useimmat alan tutkijat kuitenkin arvelevat kvanttigravitaation ongelmien ratkaisemisen vaativan perustavanlaatuisempia muutoksia. Ei ole selvää, että kvanttigravitaatiota pitäisi edes alkaa etsiä aika-avaruudesta lähtien.

Esimerkiksi vettä kuvataan klassisessa fysiikassa jatkuvana nesteenä, jonka ominaisuuksia ovat tiheys ja paine. Mutta jos yrittäisi kehittää veden kvanttiteoriaa tutkimalla tiheyden ja paineen kvanttikäyttäytymistä, niin menisi metsään. Sen sijaan pitää hahmottaa, että vesi ei ole jatkuvaa, vaan koostuu atomeista, ja ymmärtää niiden kvanttikäyttäytyminen. Jatkuva aika-avaruuskin saattaa olla vain approksimaatio, ei perustavanlaatuista, ja ensin pitää löytää oikea tapa kuvata sen alla olevaa rakennetta, selvittää mitkä ovat aika-avaruuden atomit.

Suosituin ehdokas tähän on säieteoria. Siinä aika-avaruutemme ei ole perustavanlaatuinen. Joskus säieteoriaa kuvaillaan sanomalla, että se on teoria säikeistä, joiden värähtelyt vastaavat alkeishiukkasia ja vuorovaikutuksia (myös gravitaatiota). Hieman oikeammin voi sanoa, että se on teoria kahdessa ulottuvuudessa elävistä kentistä, jotka näyttävät toisen aika-avaruuden ulottuvuuksilta – idea, joka vaatisi pidemmän selityksen auetakseen.

Säieteoria on hienostunut rakennelma, joka –kuten vaatimattomampi asymptoottinen turvallisuus– toimii yllättävän hyvin. Säieteoria lähtee liikkeelle seuduilta, joilla ei ole oikeastaan mitään tekemistä tuntemamme yleisen suhteellisuusteorian kanssa, mutta päätyy suoraa reittiä näkemämme aika-avaruuden kaltaiseen rakenteeseen, antaapa vielä samaan hintaan suunnilleen oikeanlaisen hiukkasfysiikankin. Ongelmana ovat nuo sanat ”jokseenkin” ja ”suunnilleen”: ulottuvuuksia on kymmenen eikä neljä, aika-avaruuden kuvailuun liittyy yksi ylimääräinen kenttä, maailmankaikkeuden hiukkassisältö on pielessä ja niin edelleen. 80-luvulla monet odottivat, että säieteoriasta saataisiin muutamassa vuodessa johdettua kaikki tunnettu fysiikka ja kaiken teoria olisi valmis. Ongelmat osoittautuivat kuitenkin hyvin hankaliksi, eikä kukaan löytänyt kompassia, joka olisi osoittanut, mihin suuntaan pitää mennä. Jotkut ovat epätoivoissaan jopa julistaneet, että oikeaa ratkaisua ei ole olemassakaan.

Säieteorian tunnetuin kilpailija on silmukkakvanttigravitaatio (engl. loop quantum gravity). Se lähtee liikkeelle kotoisemmista maisemista. Yleisen suhteellisuusteorian aika-avaruutta voi kuvata eri tavoilla. Yksi niistä on Abtay Ashtekarin vuonna 1986 löytämät ja sittemmin hänen mukaansa nimetyt Ashtekarin muuttujat. Karkeasti sanottuna Einsteinin alkuperäisessä yleisen suhteellisuusteorian muotoilussa tutkitaan aika-avaruuden etäisyyksiä ja niiden muutosta ajassa, Ashtekarin muotoilussa keskitytään suuntiin ja kiertymiseen.

Yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa kyse on vain näkökulmaerosta, lopputulos on sama katsoopa asiaa kummalta kannalta tahansa. Silmukkakvanttigravitaation oivallus on se, että Ashtekarin muuttujia ei käytetäkään kuvaamaan yleisen suhteellisuusteorian jatkuvaa aika-avaruutta, vaan sen sijaan erillisiä pisteitä ja yhteyksiä niiden välillä.

Ajatuksena on, että aika-avaruus ei ole pohjimmiltaan jatkuva. Se näyttää meille jatkuvalta samasta syystä kuin vesi: osasten välinen etäisyys on paljon arkisia etäisyyksiä pienempi. Silmukkakvanttigravitaation tapauksessa tilanne on paljon monimutkaisempi kuin veden, koska aika-avaruuden ainesosien välissä ei ole mitään, missä mitata etäisyyksiä. Oikeammin voi sanoa, että ilmaisu ”aika-avaruuden ainesosien välissä” on merkityksetön, koska aika ja tila ovat olemassa vain aineosissa. Tämän takia on paljon vaikeampi osoittaa, että joukosta pisteitä saadaan approksimaationa kokonaisuus, joka näyttää jatkuvalta.

Siinä missä säieteoria kattaa luontevasti gravitaation lisäksi myös muita vuorovaikutuksia sekä hiukkaset, silmukkakvanttigravitaatio on rajoittunut aika-avaruuden ymmärtämiseen. Vaikka sitä voikin laajentaa hiukkasiin, ne eivät ole välttämätön osa pakettia, toisin kuin säieteoriassa. Silmukkakvanttigravitaatio ei siis lähtökohtaisesti ole kaiken teoria, eikä vielä ole varmuutta edes siitä, onko se oikea kvanttigravitaatioteoria.

Kenties suurin ongelma kvanttigravitaatioehdokkaiden kehittelyssä on se, että niihin liittyvät uudet ilmiöt ovat tyypillisesti kaukana nykyisten havaintojen ulottumattomissa. Kuten mainittua, inflaatio on poikkeus, mutta se on sen verta yksinkertainen tapaus, että se ei anna paljoa vihjeitä siitä, miten jatkaa eteenpäin. Inflaation synnyttämissä galaksien siemenissä ei näy yksityiskohtia taustalla oleva kvanttifysiikan yksityiskohdat ovat hautautuneet syvälle, mutta niitä voi kenties saada kaivettua näkyviin.

Muitakin mahdollisia kvanttigravitaation jälkiä on tutkittu, kuten Maapallolle miljoonien tai miljardien valovuosien päästä saapuvien korkeaenergisten hiukkasten matka-aikoja. Vaikka kvanttigravitaation vaikutus niihin on pieni, se saattaa kertyä matka-ajan myötä, ja miljardi vuotta on jo varsin pitkä aika koeaika. Toinen otollinen mahdollisuus on se, että mustien aukkojen horisontin läheisyydessä näkyisi kvanttigravitaation merkkejä. Pitkään tämä oli vain teoreettista pohdiskelua, mutta nykyään gravitaatioaallot tuovat viestejä mustien aukkojen horisonttien läheisyydestä harva se viikko. Monia muitakin ideoita on tutkittu, mutta mitään ei ole näkynyt; aiheesta kiinnostuneille voi suositella alan asiantuntijan Sabine Hossenfelderin blogia Backreaction.

Kvanttimekaniikkaa ei löydetty ennen kuin päästiin viime vuosisadan alun havainnoissa atomien mittakaavaan, missä kvantti-ilmiöt ovat tärkeitä. Kvanttifysiikan periaatteet ovat arkijärjelle niin vieraita, että kukaan tuskin olisikaan ehdottanut niiden kuvaavan todellisuutta, elleivät kokeet olisi siihen johdattaneet. Voi olla, että kvanttigravitaation periaatteiden löytäminen vaatii sekin mullistavia havaintoja, jotka pakottavat ajatukset uusille urille.

---

Kolmen sukupolven kuuntelijoita

14.12.2017 klo 22.03, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

LIGOn gravitaatioaaltolöydöistä annettiin viime sunnuntaina Nobelin palkinto Rainer Weissille, Barry C. Barishille ja Kip S. Thornelle. LIGO teki ihmiskunnan ensimmäisen suoran havainnon gravitaatioaalloista 14. syyskuuta 2015 ja julkisti sen helmikuussa 2016. Kahdessa vuodessa mustien aukkojen gravitaatioaalloista on tullut niin arkipäiväisiä, että en viitsinyt kirjoittaa viimeisimmästä havainnosta, joka julkistettiin viime kuussa.

Gravitaatioaaltodetektorit LIGO ja Virgo ovat päivitystauolla ja jatkavat entistä ehompina syksyllä 2018. Pian seuraan liittyy kaksi uutta tulokasta.

Intiaan on kaavailtu gravitaatioaaltodetektoria vuodesta 2009 lähtien. LIGOn menestys antoi suunnitelmille pontta: Intian hallitus hyväksyi INDIGO-projektin vain kuusi päivää sen jälkeen, kun LIGO ilmoitti ensimmäisestä havainnosta. INDIGOn on määrä aloittaa vuonna 2024. Siitä tulee tismalleen samanlainen kuin Yhdysvaltojen kahdesta LIGO-detektorista, ohjelmistoa myöten. Koska INDIGO on eri puolella Maapalloa ja osoittaa eri suuntaan, se helpottaa sekä gravitaatioaaltojen lähteen paikallistamista taivaalla että niiden polarisaation määrittämistä.

Japanilainen KAGRA on sikäli mielenkiintoisempi, että se on erilainen kuin muut havaintolaitteet. Idea on sama kuin muillakin: KAGRAssa on kaksi kolmen kilometrin pituista tunnelia, joissa kulkee valosignaali päästä toiseen ja heijastuu peilistä takaisin. Putkien signaalien eroa mittaamalla saadaan selville mahdollinen putkien pituuden muutos ja sitä kautta havaitaan, jos niiden läpi kulkee gravitaatioaalto. Rakentaminen alkoi vuonna 2012, KAGRA otti dataa ensimmäistä kertaa viime vuonna, ja nyt joulukuun alussa sen toiminnasta julkistettiin ensimmäinen artikkeli. Gravitaatioaaltoja ei vielä havaittu ja tarkoitus oli lähinnä testata järjestelmiä.

KAGRAssa on kaksi merkittävää eroa muihin detektoreihin nähden. Ensimmäinen on se, että sen tunnelien päässä olevat peilit jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä häiriöiden vähentämiseksi. Jäähdytystä ei kuitenkaan vielä vuoden 2016 testissä käytetty.

Toinen ero on se, että koko valtava laite on rakennettu maan sisään, Kamiokan kaivokseen, kilometrin syvyyteen Ikenoyama-vuoren huipusta. Tämä on myös Super-Kamiokanden koti. Vuosituhannen vaihteessa Super-Kamiokande-koe havaitsi neutriinojen muuttumisen toisikseen, mistä annettiin Nobelin palkinto vuonna 2015.

Gravitaatioaaltodetektorien täytyy olla äärimmäisen herkkiä havaitakseen pituuden muutoksia, jotka ovat suuruusluokkaa 10^(-21): tunnelien pituus muuttuu protonin tuhannesosan verran gravitaatioaallon kulkiessa niiden läpi. Vuoren sisällä on tukeva istua, maa tärisee paljon vähemmän kuin maanpinnalla. Maan lisäksi ilma häiritsee detektoreita: kun ilma liikkuu, sen gravitaatiokenttä muuttuu, minkä detektorit havaitsevat. Tämä häiriö on KAGRAn kohdalla pienempi, koska se on muita detektoreita kauempana ilmasta. Vuoren sisällä lämpötila on myös tasaisempi ympäri vuorokauden ja vuoden, mikä helpottaa instrumenttien pitämistä oikeassa lämpötilassa. Toisaalta KAGRAa häiritsevät maanalaiset vesivirrat, etenkin lumen sulaessa keväällä.

Detektorin sijoittaminen vuoren sisään myös vaikeuttaa sen parissa työskentelemistä, ja tunneleissa saa työturvallisuuden takia olla vain päiväsaikaan. Talvella vuorelle ajaminen voi olla hankalaa lumen ja jään takia, syksyllä taas sepelkarhut saattavat hyökätä ulkona viipyilevien tutkijoiden kimppuun. Muilla detektoreilla on toki omat ongelmansa: kuuleman mukaan toisen LIGO-laitteen putkea ovat paikalliset asukkaat ampuneet tuliaseilla.

KAGRAn on määrä tehdä ensimmäiset havainnot jäähdytetyllä instrumentilla vuonna 2019 tai 2020 ja saavuttaa vuonna 2022 sama herkkyys kuin LIGOn ja Virgon päivitetyt versiot ja INDIGO. Näitä kutsutaan toisen sukupolven gravitaatioaaltokokeiksi. Ensimmäisen sukupolven kokeita olivat alkuperäinen LIGO ja Virgo sekä vuodesta 2002 alkaen toiminut saksalainen GEO600, joiden herkkyys ei riittänyt havaintoon.

Kolmannen sukupolven kokeista pisimmällä on LISA. Se on nykyisiä detektoreita huomattavasti kunnianhimoisempi: LISAssa on määrä olla kolme satelliittia, jotka kiertävät Aurinkoa Maapallon kanssa. Satelliittien etäisyys toisistaan on 2.5 miljoonaa kilometriä. Miljoonakertainen koko tekee LISAsta paljon Maassa olevia detektoreita herkemmän. Samasta syystä se myös kuulee pidempiä aallonpituuksia eli pienempiä taajuuksia.

Nykyiset laitteet havaitsevat romahtaneista tähdistä syntyneiden mustien aukkojen törmäyksiä, LISA kuulee, miten galaksien keskellä olevat valtavat mustat aukot sulautuivat yhteen yli kymmenen miljardia vuotta sitten. LISA myös kuulee nykyisten detektorien kohteita vuosia ennen kuin ne pystyvät siihen. Musta aukko –parin lähettämän gravitaatioaallon taajuus on samaa suuruusluokkaa kuin se taajuus, millä ne kiertävät toisiaan. Mitä kauempana aukot kiertävät, sitä hitaammin ne liikkuvat, aivan kuten Aurinkokunnan planeetat. Kun aukot säteilevät gravitaatioaaltoja, ne lähestyvät toisiaan ja kiihdyttävät vauhtia. LISA pystyy näkemään suunnilleen Auringon massaisten mustien aukkojen lähettämät gravitaatioaallot vuosia ennen niiden törmäämistä, siinä missä nykyiset laitteet havaitsevat ne vain sekunteja ennen. LISA voi siis ennustaa, missä ja koska pienet mustat aukot törmäävät.

LISAn tähtäimessä on myös tyystin erilainen kohde, nimittäin maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin miljardisosan sadasosan aikana tapahtunut Higgsin kentän olomuodon muutos. Siinä syntyneiden gravitaatioaaltojen aallonpituus oli hyvin pieni. Sen jälkeen maailmankaikkeus on kuitenkin laajentunut yli tekijällä miljoona miljardia ja aallot ovat venyneet, aivan kuten valo. Niinpä niiden nykyinen aallonpituus sattuu LISAn haarukkaan, vaikka ei olekaan varmaa, ovatko ne niin voimakkaita, että LISA pystyy niitä havaitsemaan. Helsingissä Mark Hindmarsh ja David Weir tutkivat näitä gravitaatioaaltoja, ja LISAn kosmologiatyöryhmän seuraava kokous on Helsingin yliopistolla ensi kesäkuussa.

Haastavalla hankkeella on ollut vaikeuksia. Budjettileikkausten takia NASA vetäytyi projektista vuonna 2011. LISAn toteutuminen oli vaakalaudalla, ja siitä kaavailtiin halvempaa versiota eLISA (e niin kuin eurooppalainen). LIGOn menestyksen jälkeen NASA kuitenkin ilmoitti haluavansa takaisin mukaan, ja nyt LISA on taas Euroopan avaruusjärjestö ESAn ja NASAn yhteinen hanke.

LIGOn lisäksi LISAn purjeisiin on puhaltanut tuulta pilottiprojekti LISA Pathfinderin onnistuminen yli odotusten. Satelliittien säätäminen tai korjaaminen on hankalaa silloin kun se ei ole mahdotonta, joten kaiken täytyy toimia ensi yrityksellä, ja LISAn vaatima herkkyys asettaa isot vaatimukset. Niinpä joulukuussa 2015 laukaistiin kiertoradalle LISA Pathfinder, jonka tarkoituksena oli vain testata teknologiaa. Kaikki sujui erinomaisesti, ja jos kaikki jatkuu samaa rataa, LISAn kolmikko kohoaa kiertämään Aurinkoa vuonna 2034.

Myös Maahan suunnitellaan isompia detektoreita. Einstein Telescopea kaavaillaan maan alle KAGRAn tapaan, kymmenen kilometrin tunneleilla. Cosmic Explorer olisi kenties maanpinnalla, mutta neljä kertaa pidemmillä tunneleilla. Kumpikin on vielä suunnitteluasteella, eikä niiden toteutumista tai aikataulua tiedetä vielä. Varmaa on kuitenkin se, että nyt on otettu vasta gravitaatioaaltotutkimuksen alkuaskeleet.

---

Moninainen yksinkertaisuus

30.11.2017 klo 20.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minulta kysyttiin erään julkisen puheen jälkeen voisiko nykyisiä fysiikan teorioita yhdistävä ja laajentava yhtenäisteoria olla niitä yksinkertaisempi. En tainnut osata antaa selkeää vastausta, koska yksinkertaisuus on monimutkainen asia.

Mikään tuleva yhtenäisteoria ei voi olla nykyisiä teorioita yksinkertaisempi siinä mielessä, että sen täytyy kattaa vähintään kaikki samat asiat kuin mitä ne pätevyysalueellaan onnistuneesti selittävät. Se voi kuitenkin olla sikäli yksinkertaisempi, että tunnetut asiat seuraavat pienemmästä määrästä oletuksia ja sopivat yhteen paremmin. Tarkemmin sanottuna teoriat voivat olla yksinkertaisia ainakin kahdella tavalla.

Ensinnäkin teoria voi olla yksinkertainen siksi, että sen matemaattinen rakenne on yksinkertainen. Esimerkiksi Newtonin mekaniikan voi muotoilla lukiomatematiikalla: funktiot, derivaatat, integraalit ja vektorit riittävät, mitään hankalampaa ei tarvita.

Toisekseen teoria voi olla yksinkertainen siksi, että sen matemaattisen rakenteen puitteissa tarvitaan vain vähän oletuksia ja eivätkä ne ole monimutkaisia. Newtonin mekaniikan sääntö siitä, miten kappaleet liikkuvat, on tässä mielessä yksinkertainen: kappaleen kiihtyvyys on verrannollinen voimaan. Tällainen laki ei ole Newtonin mekaniikan puitteissa monimutkainen.

Newtonin mekaniikka on kuitenkin sikäli monimutkainen, että se ei kerro, millaisia voimia on olemassa. Kappaleiden väliset vuorovaikutukset pitää erikseen keksiä tai kokeellisesti määrittää kaikille tutkituille tapauksille erikseen. Newtonin mekaniikan matemaattinen rakenne rajoittaa sitä, millaisia vuorovaikutukset voivat olla, mutta se jättää valtavasti valinnan varaa.

Syy siihen, että Newtonin mekaniikka ei ole yksinkertainen, on siis se, että sen matemaattinen rakenne ei ole tarpeeksi rajoittava.

Kvanttikenttäteorian tilanne on päinvastainen. Sen rakenne koostuu hienostuneesta matematiikasta, eikä sitä ole vieläkään muotoiltu matemaattisesti tyydyttävällä tavalla. Kvanttikenttäteorian täsmällinen määrittäminen on yksi Clay-instituutin matematiikan Millennium-ongelmista. Fyysikot ovat kuitenkin onnistuneesti käyttäneet kvanttikenttäteoriaa yli 60 vuotta (se onkin tarkimmin testattu teoria fysiikan historiassa) ja ovat yleisesti sitä mieltä, että sen rakenne ymmärretään tarpeeksi hyvin fysiikkaa silmällä pitäen.

Kvanttikenttäteorian matemaattinen rakenne on tiukka. Kun sen puitteissa valitaan sopiva symmetria ja hiukkassisältö, niin teoria määrää kaikki hiukkasten väliset vuorovaikutukset, ja yleensä niitä on vain muutama erilainen. Tässä mielessä kvanttikenttäteoria on yksinkertainen: teorian määrittämiseen riittää pieni määrä tietoa, kun yleinen rakenne on annettu.

Vaikka kvanttikenttäteoriassa on vähemmän oletuksia kuin Newtonin mekaniikassa, se pystyy kuvaamaan kaikkia Newtonin mekaniikan ilmiöitä (ja paljon muuta), koska sen hienostunut rakenne kehittää yksinkertaisista palikoista monimutkaisia kokonaisuuksia. Tätä voi verrata siihen, miten shakin yksinkertaisista säännöistä rakentuu monimutkaisia pelejä.

Voi sanoa, että monimutkaisuus on siirretty yksittäisten oletusten tekemisestä rakenteen kehittyneisyyteen. Tässä saavutaan kauneuden äärelle. Esteettisten arvioiden tekeminen on keskeinen osa rakenteiden valintaa, ja yksinkertaisuus kuuluu kauneuteen. Joskus sanotaan, että sellaiset fysiikan lait ovat kauniita, jotka selittävät mahdollisimman suuren määrän ilmiöitä mahdollisimman pienellä määrällä oletuksia. Tällä ei tarkoiteta oletuksia siitä, millainen matemaattinen rakenne on valittu, vaan valintoja rakenteen puitteissa.

Rakenteen valinta ja rakenteen sisällä tehdyt valinnat liittyvät toisiinsa. Joissakin suhteissa rakenne määrittää sen, millainen teoria on, toisissa se saa ohjaa valintoja siten, että jotkut vaihtoehdot näyttävät ilmeisiltä ja toiset oudoilta. Rakenteen valintaa puolestaan ohjaa esteettisten mieltymysten ohella se, miten rakenteet esitetään.

On erilaisia tapoja ilmaista sama matemaattinen rakenne. Erilaiset tavat sisältävät samat asiat, mutta kussakin asioiden suhteet näyttävät erilaisilta. Newtonin mekaniikalla, kvanttimekaniikalla, kvanttikenttäteorialla, suppealla ja yleisellä suhteellisuusteorialla on jokaisella oma kielensä, jolla ilmaistuna teoria näyttää yksinkertaiselta ja kauniilta.

Suppean suhteellisuusteorian alkeiden esittelyssä käytetään usein Newtonin mekaniikan kieltä. Tällöin sanotaan, että suppeassa suhteellisuusteoriassa oletetaan valon nopeuden olevan vakio. Tämä oletus tuntuu luonnottomalta ja tarpeettomalta. Jos suppean suhteellisuusteorian esittää sille ominaisella tavalla, aika-avaruuden kielellä, valon nopeus ei ole oletus vaan seuraus, ja teoria yhdistää Newtonin erillisen ajan ja avaruuden selkeämmäksi rakenteeksi. Aika-avaruuden puitteissa tarkasteltuna Newtonin mekaniikan jotkut irralliset piirteet seuraavat nyt yhdessä aika-avaruuden ominaisuuksista.

Samalla tavalla yleinen suhteellisuusteoria vaikuttaa Newtonin mekaniikan kielellä kuvattuna olevan täynnä kummallisia oletuksia, mutta kun sen kirjoittaa aika-avaruuden muotojen avulla, niin näkee, että kaikki seuraa kaarevuudesta.

Vastaavasti jotkut kvanttimekaniikan kummallisuudet ovat lineaarialgebran, kvanttimekaniikan luonnollisen kielen, avulla kuvattuina niin selkeitä, että niitä ei huomaa edes ihmetellä.

Nykyisten yhtenäisteorioiden valottama vastaus kysymykseen siitä, voiko tuleva yhtenäisteoria olla nykyisiä teorioita yksinkertaisempi on siis kahtalainen. Sen matemaattinen rakenne on varmasti monimutkaisempi, mutta tämän rakenteen puitteissa toivottavasti tarvitaan vähemmän oletuksia ja ne näyttävät vähemmän kummallisilta. Unelmana on, että lopullisessa teoriassa, kaiken teoriassa, ei tarvitsisi olettaa mitään, koska matemaattinen rakenne määräisi kaiken. Tämä olisi Murray Gell-Manin totalitaristisen periaatteen puhtain ilmaisu: mahdollista on vain se, mikä on pakollista.

---

Aika-avaruuden ainesosat

19.11.2017 klo 22.45, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pecha Kucha –esitykseni Higgs ja maailmankaikkeuden synty päättyi näin:

Higgs-inflaatiossa on sellainen erityispiirre, että Higgs kytkeytyy aika-avaruuteen poikkeuksellisella tavalla, niin että Higgs-inflaation jättämistä vihjeistä taivaalla, erityisesti inflaation aikana syntyneiden gravitaatioaaltojen jäljistä, on mahdollista päätellä mitkä ovat aika-avaruuden ainesosat. Yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka kuvaa aika-avaruutta, on nimittäin erilaisia versioita, emmekä tiedä mikä niistä on oikea: onko yleinen suhteellisuusteoria sellainen kuin sen muotoili Albert Einstein vuonna 1915, 1925, 1930, vai Abhay Ashtekar vuonna 1986, vai aivan muunlainen? Mutta tämän kertominen tarkemmin veisi meidät jo toiseen tarinaan.

Avaan nyt tätä tarinaa, joka kertoo yhdestä tämänhetkisestä tutkimuskohteestani.

Yleinen suhteellisuusteorian ydinajatus on se, että gravitaatio on aika-avaruuden ominaisuus. Vuonna 1915, jolloin Albert Einstein ja David Hilbert viimeistelivät tämän idean täsmällisen muotoilun, se oli täysin uudenlainen ja odottamaton suunta fysiikassa. Kaikkia aiemmin tunnettuja vuorovaikutuksia välitti jokin kenttä aika-avaruudessa, ja ensimmäiset yritykset gravitaation ja suppean suhteellisuusteorian yhteen saattamiseksi yrittivät kulkea samaa reittiä.

Tämä yleisen suhteellisuusteorian perusta todettiin pian oikeaksi ja hyväksyttiin laajalti, mutta Einstein ei levännyt laakereillaan. Ei ole mitään muuta gravitaatiokenttää kuin itse aika-avaruus, mutta mistä aika-avaruus koostuu?

Einstein ja Hilbert olivat lähteneet siitä oletuksesta, että aika-avaruuden kaikki ominaisuudet voi päätellä etäisyyksistä. Idea on helppo ymmärtää: jos tietää pinnan kunkin pisteen etäisyyden jokaisesta muusta pisteestä, tuntee sen muodon kokonaan. Esimerkiksi vuoren lisääminen tasaiseen pintaan kasvattaa vuoren eri puolilla olevien pisteiden etäisyyttä toisistaan suoraa reittiä pitkin mitattuna. (Sen erottaa tasaisen tilan lisäämisestä niiden välille se, että vuori ei kasvata sen ympäri kulkevan reitin pituutta.)

Kaikkien pisteiden etäisyyksiä toisistaan kuvaavaa suuretta kutsutaan nimellä metriikka. Jossain mielessä voi sanoa, että metriikka on se kenttä, joka kuvaa gravitaatiota, mutta toisin kuin vaikkapa sähkökenttä, se on erottamaton osa aika-avaruutta. Einsteinin ja Hilbertin alkuperäistä versiota kutsutaan yleisen suhteellisuusteorian metriseksi muotoiluksi.

Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika-avaruudella on kuitenkin enemmän rakennetta kuin vain etäisyydet, esimerkiksi suunnat. Niinpä teorian määrittämiseksi pitää kertoa, miten suunnat muuttuvat pisteestä toiseen siirryttäessä. (Eli, matemaattisesti ilmaistuna, miten otetaan derivaattoja vektoreista.) Tämän kertoo suure nimeltä konnektio.

Einsteinin ja Hilbertin versiossa suuntien muutokset seuraavat etäisyyksien muutoksesta (eli teknisesti sanottuna metriikka määrää konnektion). Periaatteessa etäisyyksien ja suuntien muutokset ovat kuitenkin toisistaan riippumattomia aika-avaruuden ominaisuuksia. Vuonna 1925 Einstein esitteli uuden version yleisestä suhteellisuusteoriasta, jossa ei oleteta niiden suhteesta mitään. Sittemmin Einstein laittoi idean Attilio Palatinin nimiin, ja nykyään se tunnetaan Palatinin muotoiluna. Tässä versiossa voi sanoa aika-avaruuden koostuvan metriikasta ja konnektiosta. Oleellista on se, miten aine vuorovaikuttaa aika-avaruuden kanssa. Jos aine ei vuorovaikuta suoraan konnektion kanssa, niin metriikka yksin määrää konnektion, ja tulos on sama kuin alkuperäisessä muotoilussa – ainakin jos metriikan ja konnektion vuorovaikutus on yksinkertaisin mahdollinen. Einstein päätyi tähän, ja tämän takia metristä ja Palatini-versiota joskus pidetään vain erilaisina tapoina kuvata samaa teoriaa.

Jos aine kuitenkin kytkeytyy suoraan konnektioon, niin tämä ei määräydy pelkästään metriikasta, vaan riippuu myös aineesta. Tällöin metrinen ja Palatini-versio ovat erilaisia teorioita: koska suunnat muuttuvat eri tavalla näissä teorioissa, niin aine liikkuu eri tavalla.

Suurin osa aineesta vuorovaikuttaa aika-avaruuden kanssa vain metriikan kautta (tai ainakin mahdollinen ero tästä on niin pieni, että sillä ei ole merkitystä). Higgs voi kuitenkin tehdä poikkeuksen. Teoria, jossa Higgsin kenttä on vastuussa kosmisesta inflaatiosta pohjaa siihen, että Higgs kytkeytyy metriikan lisäksi suoraan konnektioon. Tämä vaadittava poikkeuksellinen suora puheyhteys Higgsin ja konnektion välillä onkin syynä siihen, että idea keksittiin melko myöhään. Fedor Bezrukov ja Mikhail Shaposhnikov kehittivät Higgs-inflaation vasta 2007, yli 25 vuotta inflaation keksimisen jälkeen.

Jos Higgsin kenttä on vastuussa inflaatiosta, niin maailmankaikkeus laajenee ja Higgs kehittyy inflaation aikana eri tavalla riippuen siitä, kuvaako aika-avaruutta metrinen vai Palatini-versio yleisestä suhteellisuusteoriasta. Erityisesti Higgsin kvanttivärähtelyt eroavat toisistaan, joten niiden perilliset, kosminen mikroaaltotausta ja galaksien jakauma taivaalla, näyttävät nykypäivänä erilaisilta.

Suurin ero on inflaation synnyttämissä gravitaatioaalloissa. Palatinin tapauksessa gravitaatioaallot ovat paljon heikompia, kenties jopa siinä määrin, että niitä ei voida käytännössä koskaan havaita. Viimeksi turhan innokas BICEP2-koeryhmä ja Planck-tiimi ovat yrittäneet erottaa gravitaatioaaltojen sormenjälkiä kosmisesta mikroaaltotaustasta. Seuraavan sukupolven kokeista kaavaillaan noin sata kertaa tarkempia, mikä riittäisi Higgs-inflaatiossa syntyvien aaltojen havaitsemiseen metrisessä versiossa, mutta ei Palatinissa.

Toisin sanoen, jos oletetaan, että Higgs on vastuussa inflaatiosta, niin kosmisen mikroaaltotaustan mittaukset kertovat, mistä aika-avaruus koostuu: yksin metriikasta vaiko sekä metriikasta että konnektiosta.

On tietysti mahdollista, että inflaatiosta on vastuussa jokin muu kenttä kuin Higgs: ehdokkaita on satoja. Higgsin tarinassakin on vielä monia käänteitä. Yksi on se, että Higgs-inflaation tapauksessa sen luotettava laskeminen, miten kvanttikorjaukset vaikuttavat Higgsin kentän kehitykseen inflaation aikana, on osoittautunut lähes ylitsepääsemättömän vaikeaksi. Tähän tarvitaan jokin uusi oivallus, jotta tulokset voi ottaa täysin vakavasti. Toinen on se, että metrinen ja Palatini eivät ole ainoat versiot yleisestä suhteellisuusteoriasta. Vuonna 1930 Einstein kehitti kolmannen version, teleparalleelin gravitaation, joka Higgs-inflaation tapauksessa on taas uusi teoria, ei vain muotoilu.

Eikä yleisen suhteellisuusteorian kehittäminen loppunut Einsteiniin. Säieteorian jälkeen tutkituin ehdotus kvanttiteorian ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämiseksi, silmukkakvanttigravitaatio, perustuu Abtay Ashtekarin vuonna 1986 esittämään muotoiluun, jossa aika-avaruus ei pohjimmiltaan koostu metriikasta eikä konnektiosta vaan sittemmin Ashtekarin muuttujina tunnetuiksi tulleista perustavanlaatuisemmista palikoista. Higgs-inflaation tapauksessa tästä on seurauksensa, mutta silmukkakvanttigravitaatio ja Ashtekarin muuttujat olisivat taas kolmannen tarinan aihe.

---

Hyödystä

31.10.2017 klo 16.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuin Eteläsuomalaisen osakunnan 112. vuosijuhlassa 14.10.2017 tieteen tiimoilta. Puhe meni jokseenkin näin.

Arvoisa inspehtori, kunniajäsenet, esolaiset, edustajat ja muut vieraat.

Ensinnäkin, kiitos vuosijuhlatoimikunnalle kutsusta puhujaksi tänne Eteläsuomalaisen osakunnan vuosijuhlaan numero 112.

Minua pyydettiin puhumaan siitä, miten kaikilla tieteenaloilla on annettavaa yhteiskunnalle.

Nykyään ei ole tavatonta kysyä, mitä hyötyä tästä tutkimuksesta tai tuosta tieteenalasta on, ja Helsingin yliopiston johtokin haluaa karsia tarpeettomina pitämiään oppiaineita.

Puhuessani viime viikolla Kajaanin Planeetan 30-vuotistilaisuudessa omasta alastani, kosmologiasta, eräs yleisön jäsen kysyi, yrittävätkö Suomen hallitus tai teolliset yhteistyökumppanit vaikuttaa tutkimuksen sisältöön. Saatoin vastata, että kosmologiassa olemme siinä onnellisessa asemassa, että tutkimuksemme on täysin hyödytöntä.

Kosmologiasta ei voi täysin päin ja puhtain sydämin luvata ainuttakaan teknologista sovellusta. Maailmankaikkeuden synnyn, kehityksen ja koostumuksen tarkempi tuntemus ei välttämättä anna meille enemmän särvintä leivän päälle, juomaa lasiin tai kissoja kännykkään.

Tähtitieteen, kosmologian, luonnontieteen kautta olemme kuitenkin oppineet, että taivas on samaa ainetta kuin maa ja yhtenäisten lakien alainen, ja taivaan takana on toisia maailmoja, lukemattomia; eivätkä tähdet ole reikiä jurtassa vaan naapuriemme aurinkoja, ja arjen yllä avautuu kaikkeus täynnä asioita, jotka eivät ole ihmeitä, koska ne ovat todellisia; mutta kammottavia ja kauniita ihmisen mitan yli.

Olemme saaneet selville, miten kaikki tämä on syntynyt sattumanvaraisista kvanttivärähtelyistä yli aikakausien joiden pituuksia ei voi inhimillisesti hahmottaa, mutta jotka silti tiedämme täsmällisesti kuin viisarien liikkeet. Olemme oppineet, miten ytimet, atomit, planeetat ovat kietoutuneet kasaan ja miten yhdestä itseään kopioivasta molekyyliketjusta on kehittynyt apinoita, kuten me ja serkkulajimme.

Luonnontiede on mullistanut käsityksen maailmankaikkeudesta –siis ympäristöstä, sanan laajimmassa merkityksessä–, asemastamme siinä ja siitä millaisia olemme: keitä me olemme ja mihin me kuulumme.

Arvoisat kuulijat, kaikki tämä on hyödytöntä, jos ymmärryksellä ei ole itseisarvoa.

Luonnontiede on toki mullistanut myös arkemme: muuttanut leivän, muokannut lasia ja mahdollistanut kännykän, usein lähtien tutkimuskysymyksistä, joilla ei ole ollut mitään ilmeisiä sovelluksia. Mutta vaikka tutkimalla maailmaa perustavanlaatuisimmalla tasolla opimme muokkaamaan sitä, kaikki ymmärrys ei auta manipuloinnissa.

Mutta jos maailman ymmärtäminen sinänsä on hyödytöntä, niin miten arvotonta onkaan ihmisten ymmärtäminen: ei vain sen setviminen, miten käsityksemme ovat muuttuneet maailman ovien auetessa luonnontieteen myötä, vaan koko historian, kielten, kulttuurien moninaisuuden laittamisessa järjestykseen ja valaisemisessa eri kulmista.

Kuinka hyödytöntä, kuinka turhaa, jos tarkoituksena on valjastaa terävin ajattelu ja kriittisimmät oivallukset tuottavuuden vaunuihin, vetämään nykyhetkeä eteenpäin, ottaen yhteiskunnan valmiina.

Arvoisat kuulijat, kaikki ympärillämme on ollut tuntematonta, kiistanalaista ja kiellettyä. Jos mennään Roomaan asti, sellaiset muotoseikat kuten housut miehillä, tai myöhemmin, housut naisilla, tai naiset yliopistolla, tai ihmiset jotka eivät ole naisia eivätkä miehiä, tai se, että voimme arvostella vallanpitäjiä ja vaatia muutosta.

Jos puhutaan hyödystä ja sovelluksista, niin muistettakoon miten eri alojen tutkimus tuo esille sen mikä on ollut ja on, osoittaa vaihtoehtojen moninaisuuden. Ymmärrys ohi tavanomaisuuden näyttää miten rajoitettuja ovat ne tarinat mitä kerromme toisillemme menneisyydestä, siitä mikä olisi voinut olla toisin ja minkä pitäisi olla toisin.

Kriittinen katsaus yhteiskuntaan auttaa riisumaan paljaaksi sen uskomuksen, että juuri me olemme saavuttaneet sivilisaation lopullisen tasangon, että nyt riittää toistaa nykyisyyttä ja hyväksyä ne tarinat, joita annamme kertoa itsellemme ja säännöt, joilla niistä tehdään totta.

Mitään ei ole naulattu paikoilleen: yhteiskunta toisaalla edistyy, toisaalla suistuu, ja meillä kaikilla on osa suunnan määrittämisessä.

Ikiaikaisena normina esitetyt asiat keksittiin eilen ja yhteisten sääntöjen avulla puolustetaan tekoja, jotka ovat sääntöjen vastaisia.

Tällaisista asioista on helppo puhua yleisesti, mutta ne saavat sisältöä, ja vastustusta, vain kun mennään esimerkkeihin.

Suomen perustuslaki kieltää lähettämästä ketään ihmisarvoa loukkaavan kohtelun alle, mutta valtiolla on kokonainen koneisto turvaa hakevien kanssaihmistemme karkottamiseksi vainoon.

Toisena esimerkkinä yhteiskunnan suistumisesta ja sanoinkuvaamattoman normalisoitumisesta mainittakoon se, että Suomi ruokkii tämän hetken pahinta inhimillistä katastrofia myymällä Jemeniä tuhoaville Saudi-Arabialle ja Yhdistyneille Arabiemiirikunnille aseita, vaikka EU:n sitovat asevientisäännöt kieltävät viennin, jos on riski, että aseita käytetään hyökkäykseen toista maata vastaan tai ne pidentävät konfliktia.

Näitä lain rikkomuksia puolustetaan paitsi vetoamalla lakiin, myös hyötyyn. Kaiken tämän perkaaminen ja ikkunan avaaminen uuteen suuntaan, josta saattaa näkyä pala kirkasta taivasta, sitä sen sijaan ei lueta hyödyn piiriin

Arvoisat yliopistolaiset, teillä –meillä– on erityinen mahdollisuus kyseenalaistaa näitä tarinoita ja tekoja, tulla kuulluksi, muuttaa suuntaa, sanalla sanoen olla hyödyksi kamppailussa sivistyksen edistämisestä.

---

Useiden sanansaattajien aikakausi

21.10.2017 klo 15.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

LIGO/Virgo-tutkimusryhmällä pitää kiirettä. Syyskuun lopulla se ilmoitti uusimmasta havainnosta musta aukko –parin törmäyksestä syntyneistä gravitaatioaalloista. Kuusi päivää sen jälkeen Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia julisti Reiner Weissin, Barry C. Barishin ja Kip. S. Thornen saavan Nobelin palkinnon LIGOn havaintojen tiimoilta. Vajaa kaksi viikkoa myöhemmin, viime maanantaina, LIGO/Virgo tiedotti ensimmäisestä koskaan havaitusta neutronitähtien törmäyksestä. (Kommentoin asiaa tuoreeltaan Ylelle.)

Toisiaan kohti suistuvien tähtien synnyttämä gravitaatioaalto pyyhkäisi läpi Maan 17. elokuuta, vain kolme päivää syyskuussa ilmoitetun musta aukko –parin aikaansaaman aallon jälkeen. Tämä havainto neutronitähdistä on LIGOn toistaiseksi merkittävin löytö (LIGOn ensimmäistä gravitaatioaaltohavaintoa kenties lukuun ottamatta). Samalla se on paluu gravitaatioaaltohavaintojen juurille.

Gravitaatioaaltojen olemassaolo osoitettiin kokeellisesti ensimmäistä kertaa juuri toisiaan kiertävien neutronitähtien avulla. Vuonna 1974 Russell Hulse ja Joseph Taylor löysivät kaksoisneutronitähtijärjestelmän, joka on sittemmin nimetty heidän mukaansa. Seuraamalla näitä toistensa ympärillä vinhasti kieppuvia tähtiä huomattiin, että ne lähestyvät toisiaan, mistä voi päätellä niiden menettävän energiaa. Yleisestä suhteellisuusteoriasta voidaan laskea, millä tahdilla tähtien pitäisi lähettää energiaa mukanaan vieviä gravitaatioaaltoja, ja tulos vastaa havaintoja. Hulse ja Taylor saivatkin tästä Nobelin palkinnon.

Hulse-Taylorin neutronitähtiparin suhde on melko vakaa, ja kestää satoja miljoonia vuosia ennen kuin ne törmäävät. LIGO ja Virgo näki sen sijaan nyt havaitun parin elämän viimeiset 100 sekuntia, joiden lopussa ne tuhoavat toisensa väkivaltaisesti. Signaali oli voimakkain toistaiseksi nähty gravitaatioaalto, koska kohde oli kosmologisesti ottaen hyvin lähellä, vain 100 miljoonan valovuoden päässä.

Ei itse asiassa ole varmuutta siitä, olivatko molemmat parin jäsenet neutronitähtiä, mutta ainakin toinen luultavasti oli. Tämä on päätelty kahdesta seikasta.

Ensinnäkin molemmat kohteet olivat kevyitä: toisen massa oli noin yhden Auringon massan verran, toisen yhdestä kahteen. Tämä on oikea suuruusluokka neutronitähdille, kun taas tähtien romahduksesta syntyneiden mustien aukkojen odotetaan olevan raskaampia. Toisekseen, paljon tärkeämpää on se, että ensimmäistä kertaa nähtiin törmäykseen liittyvää sähkömagneettista säteilyä, niin näkyvää kuin näkymätöntäkin valoa.

Gravitaatioaallot saapuivat Maahan ensin, 1.7 sekuntia niiden jälkeen tuli gammasädepurkaus (eli korkeaenerginen sähkömagneettinen säteily), 11 tuntia sen jälkeen näkyvä valo, 9 päivän kuluttua röntgensäteet ja 16 päivää myöhemmin radioaallot. Mustien aukkojen törmäyksestä ei synny tällaisia signaaleja, joten ainakin toinen kappaleista oli neutronitähti (ellei sitten jokin toistaiseksi tuntematon vielä eksoottisempi kappale).

Siinä, että LIGO löysi gravitaatioaallot toissavuonna ei ollut mitään yllättävää; olisi hämmästyttävää, jos niitä ei olisi olemassa. Kuten olen maininnut, gravitaatioaallot ovat merkittäviä siksi, että ne avaavat aivan uuden kanavan maailmankaikkeuteen. Nyt julkistettu neutronitähtihavainto on ensimmäinen esimerkki tutkimustavasta, joka on saanut muodikkaan nimen multimessenger astronomy, suomeksi siis ”useiden sanansaattajien tähtitiede”, mikä tarkoittaa saman ilmiön havaitsemista erilaisia riippumattomia reittejä pitkin.

Gravitaatioaallot ja erilaiset sähkömagneettiset signaalit syntyvät törmäyksen ja siitä syntyneen jäänteen (joka saattaa olla neutronitähti tai musta aukko) kehityksen eri vaiheissa. Niinpä katsomalla taivasta eri signaalien avulla voi seurata tapahtuman eri vaiheita.

Erilaisten signaalien mittaaminen samasta kohteesta edellyttää tehokasta koordinaatiota. Ensimmäiseksi Fermi-satelliitti havaitsi gammasäteet ja lähetti ilmoituksen siitä 14 sekuntia myöhemmin. LIGO/Virgo huomasi kuuden minuutin kuluttua, että yhdessä heidän kolmesta detektoristaan oli signaali 1.7 sekuntia ennen gammasäteitä. Koska aika oli hyvin lähellä gammasäteiden tuloaikaa eli gravitaatioaalloilla luultavasti oli sama alkuperä, LIGO/Virgo lähetti 34 minuutin kuluttua hälytyksen tapahtuneesta, jotta kymmenet tutkimusryhmät ympäri maailmaa osasivat suunnata teleskooppinsa maan päällä ja avaruudessa sinne mistä gammasäteet olivat tulleet. Neljän tunnin ja 33 minuutin kuluttua LIGO/Virgo oli saanut analysoitua kaikkien kolmen havaintolaitteensa datan ja vahvisti, että gravitaatioaaltosignaali tuli samasta paikasta kuin gammasädepurkaus, vahvistaen, että ne ovat osa samaa tapahtumaa.

Gravitaatioaaltojen ja valon lisäksi tapahtumaa yritettiin nähdä myös neutriinojen avulla: Etelänavan alla oleva IceCube-detektori, Välimeren syvyydessä oleva Antares ja 3 000 neliökilometriä Argentiinan pampaa yli kilometrin korkeudessa kattava Pierre Auger –observatorio yrittivät kukin nähdä törmäyksen jälkeen syntyneissä hiukkasvirroissa syntyneitä neutriinoja, mutta niitä ei ilmeisesti syntynyt tarpeeksi, koska mitään ei havaittu. Tämäkin on hyödyllistä tietoa, koska se rajoittaa sitä, mitä törmäyksen jälkeen voi tapahtua.

Usean sanansaattajan tähtitiede mahdollistaa uudenlaiset tarkkuustestit, joita ei voi tehdä pelkästään yhdenlaisella signaalilla.

Yksi esimerkki on sellaisten mallien tutkiminen, missä maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista yritetään selittää muokkaamalla yleistä suhteellisuusteoriaa. Yleisessä suhteellisuusteoriassa valoaallot ja gravitaatioaallot kulkevat samalla nopeudella. Kun gravitaatiopuoleen lisää kaikenlaista kommervenkkiä, niin tämä muuttaa gravitaatioaaltojen kulkua, mutta ei valon (tai ainakin ne muuttuvat eri tavalla). Se, että valoaallot ja gravitaatioaallot saapuivat Maahan 1.7 s päässä toisistaan kuljettuaan 100 miljoonaa valovuotta tarkoittaa sitä, että niiden nopeudet voivat erota toisistaan vain sen verran kuin pari sekuntia eroaa 100 miljoonasta vuodesta, eli miljardisosan miljoonasosan verran. Tämä on niin tiukka raja, että se osoittaa vääräksi tämän kokonaisen luokan malleja kiihtyvän laajenemisen syistä.

Saman tyyppistä ideaa voi soveltaa myös yrityksiin korvata pimeä aine gravitaatiolain muutoksella. Tällaisissa malleissa tehdään jossain mielessä vastakkaisesti kuin kiihtyvän laajenemisen selityksissä: niissä muutetaan gravitaatiota siten, että aine ja valo liikkuvat eri tavalla, mutta gravitaatioaallot käyttäytyvät kuten ennen. Jotta mallit sopivat havaintoihin, niiden ennusteiden pitää olla hyvin samanlaiset kuin pimeän aineen, eli aine ja valo tuntevat isomman gravitaation kuin mitä pelkästään tavallinen aine synnyttää. Mitä voimakkaampi gravitaatiokenttä on, sitä hitaammin aika kulkee. Tällaisissa malleissa valo kulkee siis hitaammin kuin gravitaatioaallot. Yleisessä suhteellisuusteoriassa sen sijaan ne tuntevat saman gravitaatiokentän ja kulkevat siksi samalla nopeudella. Meidän ja neutronitähtiparin välissä oleva aine aiheuttaa kuukausien viiveen, mutta havaittu ero gammasäteiden ja gravitaatioaaltojen kulkuun on vain 1.7 sekuntia. Tästä voi päätellä, että tällaiset pimeää ainetta korvaavat mallit ovat väärässä, ainakin nykymuodossaan. Jos ne haluaa pelastaa, niitä pitää muokata siten, että myös gravitaatioaallot hidastuvat kuin pimeää ainetta olisi olemassa, mikä ei ole aivan yksinkertaista.

Jos havaitsijat työskentelivät kuumeisesti kun gravitaatioaaltosignaali jäi haaviin, niin teoreetikot ovat kiivaasti kirjanneet johtopäätöksiään ylös havainnon julkistamisen aikoihin. Ensimmäiset teoreettiset artikkelit laitettiin nettiarkisto arXiviin samana päivänä kun havainnot julkistettiin (jotkut jopa ennen julkistamista), huhujen levittyä laajalle. Olen par’aikaa vierailulla Oxfordissa, ja täällä työskentelevä Pedro Ferreira ja hänen yhteistyökumppaninsa aloittivat muokatun gravitaatiolain mallit vääräksi osoittavan artikkelin tekemisen perjantaina ja saivat sen valmiiksi maanantaina, laittaen sen arXiviin kaksi tuntia ja kolme minuuttia LIGO/Virgon lehdistötilaisuuden alkamisen jälkeen. Samaa asiaa käsittelevät kahden muun ryhmän hyvin samanlaiset artikkelit laitettiin arXiviin 13 ja 53 minuuttia myöhemmin, ja ne kaikki ilmestyivät tiistaina.

LIGO/Virgo ja muut havaintoja tehneet ryhmät olivat sikäli ihailtavan hillittyjä, että ne julkistivat tuloksensa vasta niiden käytyä läpi vertaisarvioinnin, toisin kuin gravitaatioaaltoja löytäneensä luullut BICEP2-ryhmä vuonna 2014.

Näillä havainnoilla voi tehdä paljon muutakin, esimerkiksi mitata maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta ja asettaa rajoja neutronitähtien mahdolliselle pimeästä aineesta muodostuvalle ytimelle. Data-analyysi jatkuu, ja päivitystauolla olevat LIGO/Virgo käynnistyvät ensi vuonna entistä ehompina. Perustavanlaatuista fysiikkaa luotaavien havaintojen kärki on siirtynyt maanalaisista hiukkaskiihdyttimistä taivaan katsomiseen. LIGO/Virgon artikkelin sanoin: ”Alle kaksi vuotta gravitaatioaaltotähtitieteen ensi-illasta [nyt havaittu aalto] GW170817 merkitsee uusien löytöjen aikakauden alkua.”