Kosmokseen kirjoitettua

Viserrystä taivaasta

5.12.2014 klo 00.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Ferrarassa Italiassa on meneillään konferenssi, jossa esitellään Planck-satelliitin uusia tuloksia. Tämä on sikäli kummallista, että tulokset eivät ole vielä julkisia – itse asiassa ne eivät ole edes valmiita.

Planck julkaisi ensimmäiset kosmologiset tuloksensa maaliskuussa 2013. Yksi Planckin odotetuimpia anteja oli kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatio. Polarisaatiohavaintojen analysointi kuitenkin osoittautui luultua vaikeammaksi, joten niiden julkistaminen siirrettiin vuoteen 2014.

Suuri osa Planckin näkemästä polarisoituneesta säteilystä tulee Linnunradasta. Galaksiamme tutkiville astrofyysikoille se voi olla hyvinkin mielenkiintoista, mutta kosmologeille Linnunrata on roskaa, joka peittää alleen varhaisesta maailmankaikkeudesta peräisin olevan kosmisen signaalin. Polarisaation siistiminen on melkoinen urakka, ja Planck on halunnut tehdä sen huolella, joten tulosten julkaiseminen on toistuvasti viivästynyt. Lisäksi nyt on syynissä on Planckin koko neljän vuoden mittausjakson data, kun vuoden 2013 analyysi perustui vain ensimmäisten 15 kuukauden havaintoihin.

Joillakin tutkimusryhmillä on ollut huolettomampi ote polarisaatiodatan analyysiin. Maaliskuussa BICEP2-tutkimusryhmä ilmoitti havainneensa gravitaatioaaltojen jäljen mikroaaltotaivaan polarisaatiossa. Jos tämä pitäisi paikkansa, niin kyseessä olisi merkittävin löytö kosmologiassa tai hiukkasfysiikassa yli vuosikymmeneen. Pian epäilyjä tuli kuitenkin julki, ja syyskuussa Planck julkaisi havaintonsa Linnunradan pölystä tulevasta polarisoituneesta säteilystä. Planckin näkemä pöly näytti samalta kuin BICEP2:n havainnot, mikä viittaa siihen, että myös BICEP2 näki pölyä galaksimme tuulilasissa, ei viestiä muinaisilta ajoilta.

Asian varmistamiseksi Planck ja BICEP2 ovat yhdistäneet havaintonsa, ja tuloksia lupailtiin lokakuulle, marraskuulle tai viimeistään nyt joulukuussa meneillään olevaan konferenssiin. Kaikkea ei ole vielä saatu valmiiksi, mutta koska konferenssi on sovittu, se myös pidetään, vaikka Planck-ryhmä ei julkista vielä tuloksiaan. Tutkijat puhuvat siis tuloksista, jotka eivät ole valmiita ja esittelevät lukuja, jotka eivät ole julkisia. Tässä eriskummallisessa tilanteessa konferenssista raportoivan twitter-hashtagin #planck2014 seuraaminen on luotettavin tapa saada ajantasaista tietoa siitä, mitä ymmärrämme maailmankaikkeudesta.

Eilen Suomen Planck-ryhmän kosmologiaosuuden johtaja Hannu Kurki-Suonio piti Suomessa esityksen Planckin uusista havainnoista. Koska ryhmän jäsenillä ei ole valtuuksia ilmoittaa mitään julkisuuteen, hän perusti puheensa twitteristä poimittuihin lukuihin ja kuviin. Ainakin voi sanoa, että tarkkojen tietojen puuttuessa Planck-ryhmän kaunis polarisaation visualisointi on saanut paljon huomiota:

Maistiaisten jälkeen dataa ja analyysiä lupaillaan julkiseksi 22.12., mutta saattaa tässä mennä tammikuuhunkin. Kiinnostavimmasta asiasta, eli BICEP2:n väitetystä löydöstä Planck on jo julkisesti sanonut, että ainakin BICEP2:n ilmoittama tulos heikkenee. Lopullisten tulosten pitäisi ilmestyä myöhemmin ensi vuoden aikana.

Päivitys (06/12/14): Planckin tuloksista tuli nähtävästi lehdistötiedotekin –vain ranskaksi.

---

Luomisen kuvajaisia

30.11.2014 klo 21.58, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luin hiljattain uudelleen Alan Lightmanin kirjan Einstein’s Dreams (suom. Einsteinin unet). Sen 179:llä pienellä sivulla seurataan Albert Einsteinin päiviä ja unia vuoden 1905 huhtikuusta kesäkuuhun, jolloin hän sai suppean suhteellisuusteorian valmiiksi.

Fyysikoiden elämästä kertovissa teoksissa on kaksi vaaraa. Ensinnäkin, jos tarkoitus on kuvata heidän työnsä sisältöä, kertoa sen tekemisestä tai avata sen merkitystä, niin eksyy helposti ellei tunne fysiikkaa ja sitä, millaista fysiikan tutkiminen on. Toisaalta tarina saattaa hukkua päähenkilönsä alle, kuten suurmieskertomuksissa usein. On vaikea ottaa etäisyyttä nerouden myyttiin, kuten esimerkiksi Feynman-sarjakuva osoittaa. Ongelmat ovat erityisen vakavia kun kyseessä on Einstein, josta tuli nerouden vertauskuva jo eläessään ja jonka kehittämä suhteellisuusteoria ei ole helppo kuvattava.

Ensimmäistä ongelmaa Lightmanilla ei ole, koska hän on tutkimusta tehnyt yleisen suhteellisuusteorian asiantuntija. Hänen väitöskirjaohjaajansa oli itse asiassa Kip Thorne, eräs suhteellisuusteorian vanhoja mestareita. Lightman välttää päähenkilön paisuttelemisen, kuitenkaan vähättelemättä tai ottamatta liikaa etäisyyttä, siten että pääosassa ei ole Einstein eikä Einsteinin tietoinen työskentely. Sen sijaan kirja keskittyy tämän näkemiin uniin, joissa aika ja avaruus ovat erilaisia tavalla, joka tavoittelee suppeaa, ja yleistäkin, suhteellisuusteoriaa. Unissa ihmisten käytös peilaa näitä eroja ja on inhimillinen kosketuspinta aika-avaruuden rakenteeseen.

Tutkimukseen kuuluu eri vaihtoehtojen vertaaminen, harhapolut ja lopulta oikean vaihtoehdon löytäminen. Lightmanin kuvaamat unet ovat runollinen tulkinta tästä fysiikan luomistyöstä. Unissa on oikeita ja vääriä oivalluksia, ja herätessä kirkkauteen unet putoavat mielestä, kuten väärät teoriantyngät hylätään kauniin totuuden löydyttyä. Osa luomistyöstä ja etsimisestä tehdään alitajuisesti, joten unet ovat sille luonteva kuvajainen.

Tieteessä, toisin kuin taiteessa, on kyse luomisen lisäksi samanaikaisesti löytämisestä: jos Einstein ei olisi vuonna 1905 muotoillut suppeaa suhteellisuusteoriaa, niin joku toinen olisi kehittänyt sen täysin samanlaisena myöhemmin. Lightmanin kirja pitää tarinan henkilökohtaisena tahdittamalla unia arkisilla päiväkohtauksilla Einsteinin elämästä Bernissä, joihin tuntuu tarttuneen unien merkityksellisyyttä.

Avaamalla yksityisiä unia Lightman tuo sisäisen luomisprosessin ulkoilmaan ja tekee abstraktista ajattelusta ja määrittelemättömistä tuntemuksista näkyvää. Einsteinin unet ovat läheistä sukua elokuvalle Alaston lounas, jossa David Cronenberg maalaa William Burroughsin merkkiteoksen luomistyön valkokankaalle Burroughsin elämästä ja kirjoista otetuilla tapahtumilla ja symboleilla.

---

Kaikenlaisia selityksiä

23.11.2014 klo 23.50, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Multiversumi on paljon julkisuudessa. Siitä kirjoitetaan lukuisissa artikkeleissa (se on päässyt Tähdet ja avaruus –lehden 7/2014 kanteenkin), puhutaan lukemattomissa haastatteluissa ja sitä mainostetaan jatkuvasti, kuten Peter Woitin hiukkaskosmologian uutisia ja hölynpölyä seuraavan Not Even Wrong –blogin arkistoista näkyy. Multiversumista myös kysytään usein, joten kirjoitan siitä hieman. (Käsittelin asiaa hieman vuoden 2013 Tieteen päivien kirjassa.)

Multiversumi tarkoittaa kokoelmaa universumeita eli maailmankaikkeuksia. Tämä saattaa kuulostaa ristiriitaiselta, koska usein maailmankaikkeus määritellään siten, että se on kaikki mitä on olemassa. Multiversumilla tarkoitetaankin eri asiayhteyksissä eri asioita, ja joskus puhujille ei ole itselleenkään selvää, mitä he oikein tarkoittavat.

Yksinkertaisimmillaan sana multiversumi viittaa joukkoon maailmankaikkeuden alueita, jotka ovat kaukana toisistaan. Koska valo kulkee äärellisellä nopeudella ja maailmankaikkeuden ikä on äärellinen, jokainen havaitsija näkee vain palasen maailmankaikkeudesta. Meillä ei ole mitään tietoa horisontin takana olevista alueista, joten ne ovat käytännöllisesti katsoen irrallisia maailmankaikkeuksia, ainakin siihen asti kunnes niistä ehtii tulla valoa meille.

Sanaa multiversumi käytetään myös toisella tavalla. Jos maailmankaikkeus ymmärretään koko avaruudeksi, niin multiversumi tarkoittaa sitä, että on olemassa täysin erillisiä avaruuksia, jotka eivät ole yhteydessä keskenään. On tosin epäselvää, mitä tarkoitetaan sillä, että tällaisia avaruuksia on olemassa, koska yleensä fysiikassa jonkin asian olemassaolo tarkoittaa sitä, että sen kanssa on mahdollista vuorovaikuttaa, ainakin periaatteessa.

Tilanne ei tosin ole täysin vieras. Kun maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, aiemmin horisontin sisällä olleet alueet poistuvat horisontista, ja on mahdollista olla yhteydessä yhä pienempään osaan maailmankaikkeutta. Jos kiihtyvä laajeneminen jatkuu ikuisesti, niin kadonneet alueet eivät koskaan palaa takaisin kosketuksiin. Tuntuisi kuitenkin oudolta sanoa, että niitä ei enää ole olemassa. Fysiikan edistys johdattaakin miettimään uudelleen sitä, mitä olemassaolo tarkoittaa, myös esimerkiksi virtuaalisten hiukkasten tapauksessa. Mutta vaikka virtuaalisia hiukkasia ei voi suoraan havaita, ne perustuvat teoreettisesti hyvin tunnettuun ja kokeellisesti tarkasti testattuun kvanttikenttäteoriaan. Multiversumin pohja taas on hatara niin teorian kuin havaintojenkin osalta.

Jos muita maailmankaikkeuksia on olemassa –mitä se sitten tarkoittaakaan– niin ensi silmäyksellä vaikuttaisi siltä, että niillä ei voi olla mitään kokeellista merkitystä, koska ne ovat täysin erillisiä meistä. Multiversumia on yritetty yhdistää havaintoihin antrooppisen periaatteen kautta.

Antrooppinen periaate tarkoittaa yksinkertaisimmillaan sitä, että voimme havaita vain sellaisia maailmankaikkeuksia, ja sellaisista paikoista maailmankaikkeudessa, missä olemassaolomme on mahdollista. Osa havainnoistamme selittyy fysiikan laeilla, osa sattumalla ja osa antrooppisella periaatteella.

Esimerkiksi Aurinkokunnassa planeettojen etäisyyksien ja kiertonopeuksien suhde johtuu siitä, että gravitaatiovoima on kääntäen verrannollinen etäisyyteen. Toisaalta planeettojen lukumäärä on sattumaa: on olemassa aurinkokuntia, joissa on enemmän tai vähemmän planeettoja, eikä kahdeksassa ole mitään erityistä. Se, että kotiplaneettamme on juuri sopivalla etäisyydellä Auringosta elämän synnylle, selittyy antrooppisesti: emme olisi voineet kehittyä Jupiterissa tai Merkuriuksessa.

Tässä tapauksessa antrooppinen selitys perustuu siihen, että tiedämme, että on olemassa muita aurinkokuntia ja tunnemme niiden kehityksen määräävät fysiikan lait. Muuten ei olisi mahdollista selvittää, onko kysymys luonnonlaista, sattumasta vai antrooppisesta valinnasta.

Antrooppista periaatetta on viime aikoina sovellettu multiversumiin maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen selittämiseksi. Kiihtyvän laajenemisen syytä ei varmasti tiedetä, mutta suosituin vaihtoehto on tyhjän tilan energia. Tyhjön energia selittää hyvin havainnot, jos se on tarpeeksi pieni, mutta on vaikea ymmärtää, miksi se olisi niin pieni.

Jos oletetaan, että on olemassa multiversumi ja eri maailmankaikkeuksissa tyhjön energian on eri suuruinen, niin antrooppisen periaatteen mukaan elämme sellaisessa maailmankaikkeudessa, jossa tyhjön energia on yhteensopiva olemassaolomme kanssa. Jos tyhjön energia olisi paljon havaittua isompi, kiihtyvä laajeneminen olisi alkanut aiemmin, eikä planeettoja –eikä meitä– olisi olemassa. Mutta jos tyhjön energia olisi pienempi, niin siitä ei olisi olemassaolomme mitään haittaa. Pitää siis vielä keksiä joku syy, jonka mukaan suurimmassa osassa maailmankaikkeuksista tyhjön energia on niin iso kuin mahdollista ja olettaa, että meidän maailmankaikkeutemme on tyypillinen. Silloin havaittu tyhjön energian arvo on todennäköinen.

Tällainen selitys tyhjön energialle on saanut suosiota useiden kosmologien ja hiukkasfyysikoiden keskuudessa. Sen sosiologinen menestys on johdatellut seuraamaan samaa epätoivon reittiä muidenkin ongelmien kohdalla. Esimerkiksi ei tiedetä, mistä Higgsin hiukkasen massa määräytyy, mutta jos se olisi hyvin erilainen, niin maailmankaikkeus näyttäisi tyystin toisenlaiselta, eikä meitä olisi olemassa.

Antrooppinen selitys on kuitenkin saanut paljon kritiikkiä osakseen, ja monien tutkijoiden mielestä se ei ole edes kritisoimisen arvoinen. Ongelmana on se, että toisin kuin planeettojen tapauksessa, ei ole todisteita siitä, että olisi olemassa muita maailmankaikkeuksia, joissa on toisenlaiset olosuhteet kuin omassamme. On hyviä syitä ajatella, että on paljon avaruutta paljon tämänhetkisen horisontin tuolla puolen, mutta ei ole mitään vakuuttavia syitä uskoa, että siellä olisi perustavanlaatuisesti erilaista kuin täällä. Mitä täysin erillisiin avaruuksiin tulee, niiden olemassaololle ei ole mitään kunnollista teoreettista perustetta.

On esitetty, että säieteoria ennustaa multiversumin. Säieteoria on tutkituin ehdokas kvanttiteorian ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistäväksi yhtenäisteoriaksi. Teoriaa ei kuitenkaan ole saatu täysin muotoiltua, eli ei tiedetä, mitä säieteoria tarkalleen on, joten se ei myöskään (ainakaan vielä) ennusta mitään. Itse asiassa antrooppista selitystä tyhjön energialle käytetään usein todisteena säieteorian oikeellisuudesta. Tällainen päättely on tieteellisen käytännön vastaista: jos tiedämme multiversumin olemassaolon ainoastaan säieteoriasta, niin emme samaan aikaan voi käyttää multiversumia todisteena sille, että säieteoria pitää paikkansa. Joidenkin multiversumin kannattajien mielestä tämä on hyvä syy muuttaa tieteen käytäntöjä.

Multiversumiselitysten suurin ongelma on se, että ne ovat hedelmättömiä. Ne eivät ennusta mitään, ja niitä sovelletaan vain selittämään havaintoja, jotka jo tiedetään, mutta joita ei ymmärretä.

Jos protonin elinikä olisi liian lyhyt, niin protonit olisivat tähän päivään mennessä hajonneet, eikä meitä olisi. Ei tiedetä, miksi protonien elinikä on niin pitkä. Jos protonin pitkäikäisyyden haluaisi selittää antrooppisesti, niin eliniän ei tarvitsisi olla kovin paljon maailmankaikkeuden nykyistä ikää pidempi. Protonin elinikä on kuitenkin yli kymmenentuhatta miljardia miljardia kertaa tätä pidempi. Tästä ei kuitenkaan päätellä, että antrooppinen periaate olisi väärä, vaan että protonin eliniällä on jokin muu selitys.

Toisaalta vuonna 1973 C.B. Collins ja Stephen Hawking esittivät, että avaruuden litteys selittyy antrooppisesti: jos avaruuden kaarevuus olisi iso, meidän olemassaolomme ei olisi mahdollista. 1980-luvun alussa keksittiin, että inflaatio selittää avaruuden litteyden, ja antrooppiset arvelut muuttuivat tarpeettomiksi.

On mahdollista, että elämme multiversumissa, jossa tyhjön energia selittyy antrooppisesti. On myös mahdollista, että elämme tietokonesimulaatiossa, jonka on tehnyt jokin supersivilisaatio, joka on jättänyt tyhjön energian vihjeeksi siitä, että maailmamme ei ole todellinen. Kummastakaan mahdollisuudesta ei ole mitään todisteita, eikä niiden pohtiminen vie tiedettä eteenpäin.

---

Talouden ennustaminen ja tieteilijöiden vastuu

21.11.2014 klo 14.12, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tieteessä tapahtuu –lehden numerossa 6/2014 on minulta taloustiedettä koskeva puheenvuoro. Se on vastaus kansantaloustieteen professori Vesa Kanniaisen numerossa 5/2014 olleeseen kommenttiin Helsingin Sanomien kolumnistani. Kirjoitan seuraavasti:

”Kun kosmologit ovat väärässä, tai kun julkisuudessa esitellään heidän tuloksiaan virheellisesti, seuraukset ovat korkeintaan noloja. Taloustiedettä sen sijaan käytetään oikeuttamaan miljoonien ihmisten hyvinvointiin ja kokonaisten yhteiskuntien poliittiseen tulevaisuuteen ratkaisevasti vaikuttavia päätöksiä.”

---

Sisäistetty seksismi

17.11.2014 klo 21.58, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitan Helsingin Sanomien tänään julkaistussa kolumnissa seuraavasti:

”Tutkijat lähettivät luonnontieteen alan yliopistolaisille Yhdysvalloissa hakemuksia, jotka olivat täysin samanlaisia hakijan nimeä lukuun ottamatta.

Puolessa hakemuksista oli miehen ja puolessa naisen nimi. Naisen nimellä varustetut hakijat arvioitiin järjestään vähemmän päteviksi ja heille tarjottiin pienempää palkkaa. Naispuoliset arvioijat eivät pitäneet naisten hakemuksia sen parempina kuin miespuoliset.”

Olen kirjoittanut kyseisestä tutkimuksesta aiemmin täällä.

---

Pyramidin tasanteelle

30.10.2014 klo 22.59, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kisälliaikani lähestyy loppua. Olen allekirjoittanut ensi vuoden alusta alkavan ja toistaiseksi voimassa olevan työsopimuksen yliopistotutkijana Helsingin yliopistolla. Väittelin tohtoriksi vuonna 2002, ja minulla on sen jälkeen ollut kolme kahden-kolmen vuoden postdoc-paikkaa ennen nykyistä vajaan viiden vuoden sijaisuuttani, ja välissä joitakin viikkojen-kuukausien kestoisia vierailutyösuhteita.

Tämä on tavallinen kuvio, ja jokaisella uudella askelmalla on vähemmän paikkoja. Epävarmuus onkin tutkijana olemisen ikävin puoli. Olenkin vain osittain leikilläni kirjoittanut, että tutkijoille pysyvän työpaikan saaminen on merkittävämpi tavoite on kuin suuren yhtenäisteorian löytäminen. (Pysyvistä työpaikoista puhuminen Suomessa on sinänsä harhaanjohtavaa, että yliopisto voi irtisanoa työsopimuksia siinä missä muutkin työnantajat, akateemikkojen asema ei ole yhtä turvattu kuin Pohjois-Amerikassa.)

Jotkut tutkijat ajattelevat, että epävarmassa vaiheessa he tekevät vähemmän riskialtista tutkimusta ja siirtyvät vaikeiden kysymysten pariin vasta pysyvän työpaikan saatuaan. On kuitenkin helppo tahtomattaan ruveta kuvittelemaan, että oma työ on sittenkin mielekästä, eikä toimintamallien muuttaminen vuosien jälkeen ole helppoa.

Olen itse yrittänyt tutkia minua kiinnostavien aiheiden lisäksi valtavirrassa olevia helppoja asioita tarvittavien ansioiden saamiseksi. On vaikea arvioida, kuinka hyvin tämä on toiminut. Kosmologien yhteisö on avoin valtavirran ulkopuolisille ideoille, jotka esitetään ymmärrettävästi, ja olen saanut mieluisia työpaikkoja, mutta tuurilla on ollut siinä osuutensa.

Pysyvän paikan suomaa vapautta rajoittaa se, että niihin kuuluu muitakin velvollisuuksia kuin tutkimus, kuten opetusta, apurahojen hakemista opiskelijoille ja tutkimusryhmälle, järjestämistä ja kaikenlaisia muita hallinnollisia toimia. Janne Saarikivi vertasi hiljattain professoreja pankinjohtajiin, joiden tehtävänä on lähinnä hankkia rahaa ja hallinnoida. (Sanottakoon, että fysiikan laitoksella on erinomainen tukihenkilöstö, joka hoitaa suuren osan niistä asioista, joita on muualla nähtävästi sälytetty nimellisesti tutkimaan palkattujen henkilöiden harteille.)

Eräs kollegani mainitsikin professuurin saatuaan, että hän olisi mieluummin ottanut lyhytkestoisen ja vähemmän velvollisuuksia sisältävän postdoc-paikan (tämä oli Ranskassa, jossa professoreilla on enemmän velvollisuuksia kuin Suomessa). Omaan toimenkuvaani kuuluu ensi vuoden alusta tutkimuksen ja opetuksen lisäksi vastuu fysiikan laitoksen tieteen popularisoinnista ja yleisölle suunnatusta viestinnästä.

Pysyvä paikka ei ole pyramidin huippu, mutta se lopettaa pitkän epävarmuuden jakson; on kuin tasanteelle saapuisi.

---

Rakennustelineitä ja muotiarvosteluja

22.10.2014 klo 18.28, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime perjantaina ilmoille tulleessa Yöradion haastattelussa toimittaja Justus Laitinen kysyi, kuinka suuri rooli filosofialla on teoreettisessa fysiikassa. Muistaakseni vastasin, että fysiikka voi valaista jotain filosofisia kysymyksiä, ja toisaalta filosofisia ideoita käytettiin apuna etsittäessä 1900-luvun alussa tietä klassisesta fysiikasta suhteellisuusteoriaan ja kvanttifysiikkaan. Vertasin näitä viime vuosisadan alun filosofisia ideoita rakennustelineisiin: kun katedraali on valmis, niitä ei enää tarvita. Jotkut Albert Einstein yleisen suhteellisuusteorian etsimisessä käyttämät filosofiset ideat eivät olleet edes sopusoinnussa lopulta löydetyn teorian kanssa.

Rakennustelinevertaus voi olla siinä mielessä harhaanjohtava, että fysiikan teorioiden kehittämisessä ei tyypillisesti käytetä lainkaan filosofiaa, ja filosofialla on ollut 1900-jälkipuoliskolta lähtien fysiikassa hyvin pieni osa. Taisin haastattelussa ilmaista asian niin, että filosofialla ei ole nykyiselle teoreettiselle fysiikalle mitään annettavaa. Tämä oli kuitenkin hätäisesti sanottu.

Pitää kyllä paikkansa, että nykyfysiikan teorioiden muotoilussa filosofiasta ei ole mitään hyötyä. Fysiikan kehittäminen perustuu kokeiden ja matematiikan yhteiseen edistykseen aiempien teorioiden viitekehyksessä. Teoriat ovat niin kehittyneitä, että arkiajatteluun sidoksissa olevan mielikuvituksemme käsityksillä siitä, millainen maailma saattaisi olla ei ole niille mitään merkitystä, vaikka sen tunnustaminen voikin olla vaikeaa.

Sen sijaan filosofiaa saatetaan tarvita muotoiltujen teorioiden arvioimisessa. Silloin kun teoria ja kokeet etenevät samaa tahtia ja on mahdollista erottaa kokeellisesti toisistaan, mitkä teoriat ovat oikein ja mitkä väärin, filosofialle ei ole juuri sijaa. Mutta joskus teoria kasvaa irralleen kokeista tai havainnot menevät teorian edelle, ja on vaikea selvittää mitkä teoriat ovat oikein ja mihin suuntaan pitäisi edetä.

Koska fysiikassa totuus ja kauneus ovat tiukasti sidoksissa toisiinsa, tällainen tilanne voi johtaa sekä esteettisten kriteerien ylikäyttöön teorioiden muotoilussa että fysiikan estetiikan kehityksen tyrehtymiseen. Samalla sosiologisten tekijöiden ja muotivirtausten rooli voi kasvaa kohtuuttoman isoksi ja ohjata tutkimusta hedelmättömille poluille. Tällöin sosiologiaan kallellaan olevalla filosofia voi auttaa setvimään, mitkä mittatikut ovat suoria ja millaiset kysymykset vievät umpikujaan.

Filosofia voi myös helpottaa arkiajattelun käsitteiden kytkemistä fysiikan teorioihin ja niiden paikan osoittamisessa arjen tuonpuoleisessa maailmassa. Kuten kirjoitin Tieteessä tapahtuu –lehdessä viime vuonna korjatessani joitakin virheellisiä väitteitä kvanttimekaniikasta ja suhteellisuusteoriasta: ”fysiikassa on paljon mielenkiintoisia kysymyksiä, kuten kvanttimekaniikan todellisuuskäsitys, Higgsin epistemologia ja multiversumin tutkimuksen sosiologia, joihin filosofeilla voi olla paljon annettavaa”.

---

Maailmankaikkeuden muodonmuutokset on kirjattu kehoomme

20.10.2014 klo 15.41, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitan Helsingin Sanomien tänään julkaistussa kolumnissa seuraavasti:

”Maailmankaikkeuden historia on kirjoitettu kehoomme: koostumme protoneista ja neutroneista, jotka on kasattu ensimmäisten mikrosekuntien aikana; meille keskeinen hiili on syntynyt punaisten jättiläistähtien ytimessä; solujemme sisällä on elämän kielioppikirja ajoilta, jolloin Maa oli nuori ja kuuma.

Me emme ole erottamaton osa maailmankaikkeutta, mutta se on erottamaton osa meitä.” 

Sanoja yöllä ja päivällä

16.10.2014 klo 17.54, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olen perjantaina 17.10. keskiyöllä YLEn yöradiossa Justus Laitisen haastateltavana kosmologiasta ja tieteestä yleisemminkin. Haastattelu nauhoitettiin toissapäivänä, ja ainakin filosofian merkityksestä tieteelle sanoin harkitsemattomasti, pitää varmaan kirjoittaa asiasta tarkemmin täällä blogissa lähipäivinä. Olen lähetyksen aikana ohjelman shoutboxissa vastaamassa kysymyksiin. (Päivitys 17/10/14: Toimittaja sairastui, joten en olekaan vastaamassa kysymyksiin.)

Matematiikkalehti Solmun uusimmassa numerossa on arvioni Teuvo Laurinollin  lukiomatematiikan pohjalta tekemästä katsauksesta suppeaan suhteellisuusteoriaan.

Olen maanantaina 8.12. kello 16 Helsingin yliopiston Metsätalolla mukana AID (Agora for Interdisciplinary Debate) -foorumin paneelikeskustelussa ennustamisesta tieteessä. Muina osallistujina ovat Heikki Järvinen (meterologia ja ilmastotiede) ja Antti Ripatti (taloustiede).

Osallistun torstaina 8.1. kello 15 Tieteen päivillä 2015 paneelikeskusteluun aiheesta ”Tiede, tutkimus ja ihmisoikeudet” Helsingin yliopiston päärakennuksen salissa 12. Paneelin vetää ihmisoikeuskomitean puheenjohtaja Jukka Kekkonen.

Päivitys (19/10/14): Yöradion haastattelu on Areenassa.

---

Pöly on laskeutunut

25.9.2014 klo 18.25, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Maanantaina 22.9. Planck-tutkimusryhmä julkisti tuloksensa Linnunradan pölyn lähettämistä mikroaalloista. Kosmologian näkökulmasta Linnunrata on vain ikkunassa olevaa likaa, joka haittaa kauas näkemistä. Niinpä havainnot galaksimme pölystä eivät yleensä juuri kiinnosta kosmologeja. Planckin uusia tuloksia on kuitenkin odotettu innolla maaliskuusta asti, jolloin BICEP2-tutkimusryhmä väitti löytäneensä gravitaatioaaltojen sormenjäljen kosmisessa mikroaaltotaustassa. Mielenkiinnon syynä on se, että kosmisen signaalin erottelemiseksi havainnoista täytyy tuntea Linnunradasta tuleva kohina tarkkaan.

Käsittelin jokusessa merkinnässä BICEP2:n havaintojen tulkintaa, sekä epävarmuutta siitä, pitääkö tulos paikkansa. Ensimmäisessä merkinnässäni kirjoitin, että ”tulos on merkittävämpi kuin Higgsin löytäminen, mutta siihen pitää myös suhtautua varovaisesti: pöly ei ole vielä laskeutunut” ja että ”on syytä odottaa muiden ryhmien analyysejä BICEPin datasta ja Planck-satelliitin tuloksia ennen kuin jättää konditionaalit pois”.

Konditionaalit olivat paikallaan. Lyhyesti sanottuna, Planckin uuden tutkimuksen mukaan BICEP2:n katsoman taivaan osan pölyn lähettämistä mikroaalloista syntyy juuri sellainen kuvio minkä BICEP2 näki. Planckin tulokset ovat saaneet asianmukaisesti huomiota, mainitsen useista kirjoituksista vain Naturen artikkelin ja yhteistyökumppanini Sesh Nadathurin blogimerkinnän, joista jälkimmäinen on selkein näkemäni selostus aiheesta.

BICEP2-teleskooppi oli erikoistunut laite, joka oli suunniteltu mittaamaan mikroaaltojen polarisaatiota tietyllä aallonpituudella tietyssä kohtaa taivasta. (Jonkinlainen selitys siitä, mitä polarisaatio on, löytyy täältä.) BICEP2:n valttina oli se, että se keskittyi sellaiseen kaistaan taivasta, jonka pölystä odotettiin tulevan erityisen vähän polarisoitunutta säteilyä. Koeryhmällä ei kuitenkaan ollut luotettavia karttoja siitä, paljonko polarisoitunutta säteilyä Linnunradan eri puolilta tulee. Planckin tulokset osoittavat nyt, että mikään osa taivasta ei ole niin puhdas, että pölyn voisi jättää huomiotta.

Planck esitti myös arvion siitä, paljonko pölystä tulee polarisoitunutta säteilyä juuri BICEP2:n katsomalla alueella. Tämän tekeminen ei ole aivan suoraviivaista, koska toisin kuin BICEP2, Planck-satelliitti oli yleislaite, joka mittasi valon kirkkautta ja polarisaatiota yhdeksällä aallonpituudella koko taivaalla. Planck ei pysty suoraan toistamaan BICEP2:n polarisaatiomittausta yhtä suurella tarkkuudella.

Planck-ryhmä käytti sen sijaan hyväksi sitä, että Planck näkee lyhyempiä aallonpituuksia kuin BICEP2, ja pölystä tulee lyhyemmillä aallonpituuksilla enemmän polarisoitunutta säteilyä. Ryhmä sai tehtyä kartan pölyn lähettämästä polarisoituneesta säteilystä taivaan eri puolilla, mukaan lukien BICEP2:n katsomalla alueella, mutta eri taajuudella kuin mitä BICEP2 mittasi. Sitten ryhmä selvitti eri taajuuksien välisen polarisaatiosignaalin välisen suhteen ympäri taivasta. Jos oletetaan, että BICEP2:n valitsemassa alueessa tämä suhde ei merkittävästi poikkea siitä, mitä se on taivaalla keskimäärin, niin saadaan arvio alueen pölyn lähettämästä polarisoituneesta valosta BICEP2:n näkemällä aallonpituudella.

Tulos näyttää juuri siltä, mitä BICEP2 oikeasti näki. Toisin sanoen, BICEP2:n havaintojen selittämiseen ei tarvita gravitaatioaaltoja, Linnunradan pöly riittää.

Tämä ei todista, että BICEP2 ei olisi nähnyt gravitaatioaaltoja, vain sen, että niistä ei ole mitään todisteita. Asian varmistamiseksi BICEP-ryhmä tekee paraikaa uusia mittauksia kahdella aallonpituudella (ja on laajentamassa kolmanteen), ja työskentelee Planck-ryhmän kanssa havaintojen yhdistämiseksi. Lisätietoja on luvassa marraskuussa Planckin julkistaessa lisää havaintojaan, mutta lopullista selvyyttä ei ehkä saada vielä silloin.

BICEP2:n väite herätti intoa kosmologien keskuudessa: BICEP2:n  ja Planckin tulosten julkistamisen välisen puolen vuoden aikana tuli julki lähes 700 artikkelia, joissa viitataan BICEP2:n artikkeliin. Huomattava osa niistä käsitteli BICEP2:n tulosten teoreettista tulkintaa olettaen, että ne ovat oikein. Epäilyjä oli jo ennen Planckin tämän viikon tuloksia, ja niiden myötä innostus on kaikonnut. BICEP2 ei silti ollut turha koe, sen havainnot rajoittavat esimerkiksi mahdollisten kosmisten säikeiden ja magneettikenttien ominaisuuksia.

Kuten mainitsin mikroaaltotaustan kylmästä läikästä kirjoittaessani, se että jotkut esittävät tehneensä havainnon tai teoreettisen löydön, jota muut sitten yrittävät kumota tai varmentaa, on tavallista tieteen tekemistä. Tieteen luotettavuus ei perustu siihen, että tieteilijät olisivat niin nerokkaita ja huolellisia, että he esittäisivät vain paikkansapitäviä väitteitä, vaan siihen, että tiedeyhteisö suhtautuu kaikkiin väitteisiin kriittisesti, joten virheelliset saadaan karsittua pois.

Avainasemassa on se, että muilla on mahdollisuus päästä käsiksi alkuperäisiin laskuihin ja havaintoihin sekä tehdä omia havaintojaan. Sillä, että tieteelliset artikkelit käyvät läpi vertaisarvioinnin, on vähäisempi rooli. Artikkelin julkaiseminen on laatuleima, joka kertoo, että yhden tai kahden vertaisarvioijan mielestä artikkelissa ei ole ilmeisiä virheitä. Jos tulokset eivät ole ilmeisen väärin, niiden oikeellisuus tarkistetaan kuitenkin pääosin tiedeyhteisön toimesta, ei parin kustannustoimittajan valitseman henkilön. BICEP2-ryhmän artikkelin julkaistu versio erosi merkittävästi alunperin julkistetusta versiosta siten, että siinä ei enää väitetty, että on havaittu gravitaatioaaltoja. Tähän kuitenkin luultavasti vaikutti se, että kritiikkiä oli jo esitetty muissa artikkeleissa, joihin julkaistussa versiossa viitataankin.

Kenties voidaan tosin sanoa, että lehdistötilaisuuksien kanssa olisi syytä olla huolellisempi, eikä sanoa tulosta varmaksi ennen kuin muut ovat sen tarkistaneet. On tavallista, että suurelle yleisölle mainostetaan löytöjä ennen kuin tiedeyhteisö on niistä vakuuttunut. Vastakkaisiakin esimerkkejä on: Higgsin kohdalla oltiin suorastaan kohtuuttoman varovaisia sen suhteen, koska hiukkanen julistettiin löydetyksi ja milloin sitä alettiin kutsumaan Higgsin hiukkaseksi.

Päivitys (25/09/14): Mainitsen vielä Resonaancesin ja Telescoperin blogimerkinnät aiheesta.