Kosmokseen kirjoitettua

Ammattilainen osaa ajatella niin kuin vaaditaan

22.9.2014 klo 22.31, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitan Helsingin Sanomien tänään julkaistussa kolumnissa seuraavasti:

”Kyse ei ole siitä, etteikö ammattilaisella olisi moraalia. Pikemminkin kyse on siitä, että hän osaa arvioida tekojensa eettisyyttä työyhteisön hyväksymien sääntöjen mukaan ja ymmärtää, että itsenäisten moraalisten päätösten tekeminen toimeksiantoon liittymättömien seikkojen perusteella on epäammattimaista.”

Myöhästyneitä viestejä

17.9.2014 klo 14.17, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia , Yleinen

Aikaa käsittelevän merkinnän kommenteissa kysyttiin siitä, miten massakeskittymät vaikuttavat valon kulkuaikaan ja valon perusteella pääteltyihin etäisyyksiin, joten kirjoitan sen tiimoilta jotain. (Olen aiemmin käsitellyt etäisyyksien mittaamista supernovien ja parallaksin avulla.)

Olen kirjoittanut siitä, miten gravitaatiolinssit taivuttavat valoa ja vääristävät niiden takana olevien kohteiden kuvia kehiksi tai kaariksi. Gravitaatiolinssejä listaavan CASTLES-tietokannan sivuilla on kuva siitä, miltä muutaman kymmenen metrin päässä oleva rakennus näyttäisi, jos välissä olisi musta aukko, jolla on sama massa kuin Saturnuksella.

Gravitaatiolinssit jakavat valonsäteitä, niin että samaan aikaan samasta paikasta lähteneet säteet matkaavat eri reittejä. Koska reitit ovat eri pituisia, valonsäteiden matka-aika on erilainen, eli osa valosta tulee myöhässä. Jos lähtevä valo on erilaista eri hetkinä, niin ero matka-ajassa voidaan mitata: eri reittejä matkanneet valonsäteet näyttävät samaa elokuvaa eri kohdista.

On varsin harvinaista, että sopivalla aikavälillä muuttuva tarpeeksi kirkas kohde sattuisi tarpeeksi massiivisen kohteen taakse niin että gravitaatiolinssin aikaviive olisi mahdollista mitata. Taivas on kuitenkin täynnä tavaraa, joten joskus käy tuuri. Toistaiseksi aikaviiveitä on mitattu luotettavasti noin kymmenestä tai kahdestakymmenestä kohteesta – lukumäärä riippuu siitä, kuinka tiukka on luotettavuuden suhteen.

Pisin mitattu aikaviive on noin kaksi vuotta ja lyhin on noin viikon. Valon matka-aika on kummassakin tapauksessa kymmenen miljardia vuotta, eli linssin aiheuttama muutos on isoimmillaan noin miljardisosan suuruinen.

Aikaviivettä voi käyttää maailmankaikkeuden tämänhetkisen laajenemisnopeuden mittaamiseen. Maailmankaikkeuden etäisyydet riippuvat siitä, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee, joten myös valon matka-aika riippuu siitä. Aikaviiveen suhde matka-aikaan puolestaan määräytyy siitä, miten massiivinen gravitaatiolinssi on ja miten sen massa on jakautunut (kirjoitin hieman tästä aiemmassa merkinnässä).

Jos linssin vääristämän kuvan muodosta pystytään päättelemään, millainen linssi on, niin voidaan laskea, kuinka suuri aikaviive on suhteessa matka-aikaan. Kun lisäksi mitataan viive, voidaan päätellä matka-aika ja siten linssin etäisyys ja maailmankaikkeuden laajenemisnopeus. (Tässä selityksessä on yksinkertaistettu aika paljon. Itse asiassa päättelyssä tarvitaan muutakin tietoa etäisyyksistä, mutta ei mennä siihen.)

Toistaiseksi tulosten tarkkuus on jättänyt toivomisen varaa. Suurin ongelma on se, että aikaviive riippuu voimakkaasti linssien rakenteesta, ja linssien yksityiskohdista on melko paljon epävarmuutta.

Vuonna 2020 taivaalle nousevan Euclid-satelliitin odotetaan mittaavan noin satatuhatta voimakasta gravitaatiolinssiä. Euclidin lisäksi linssejä pitää mitata tarkasti Maan päältä käsin teleskoopeilla kaiken tarvittavan datan saamiseksi, mutta joka tapauksessa linssien suuren määrän odotetaan parantavan niiden avulla tehtävien mittausten tarkkuutta merkittävästi.

Gravitaatiolinssien tapauksessa valonsäteiden reiteissä on vain pieni ero. Entäpä jos tarkastellaan valonsäteitä, jotka ovat kulkeneet täysin eri reittejä, esimerkiksi sellaisia, jotka tulevat taivaan vastakkaisilta puolilta? Kosmisesta mikroaaltotaustasta näkee, että maailmankaikkeus on hyvin samanlainen eri suunnissa, kunhan katsoo kosmologisille etäisyyksille satojen miljoonien valovuosien päähän. Niinpä ei ole suurta väliä, mistä suunnasta tulevaa valoa katselee. Ei ole ihan selvää, kuinka suuria pienet erot eri suuntien välillä ovat (eräs tämänhetkinen tutkimusaiheeni itse asiassa liittyy tähän), mutta luultavasti ne ovat korkeintaan prosentin luokkaa, jos sitäkään.

---

Laboratorion ja taivaan risteyksessä ja muita tarinoita

16.9.2014 klo 20.18, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia , Yleinen

Juttelen kosmologiasta lauantaina 20.9. Berliinissä kello 19.30 Haus der Berliner Festspielessä Jimi Tenorin kosmisessa show’ssa. Tilaisuudessa puhuvat myös kirjailija Johanna Sinisalo ja taiteilija Megatron Braineater.

Puhun sunnuntaina 5.10. kello 13.30 Turun Tiedemessuilla auditoriossa 1 aiheesta ”Higgs laboratorion ja taivaan risteyksessä”. Tiivistelmä on seuraava: ”CERNissä 2012 löydetyn Higgsin hiukkanen oli tuntemamme hiukkasfysiikan viimeinen pala. Higgs saattaa myös selittää sen, mistä kaikki maailmankaikkeuden rakenne on peräisin.” Sen jälkeen, kello 14.45, minua haastatellaan Äidinkielen opettajainliiton ja Turun seudun äidinkielenopettajien osastolla #Kirjat.

Puhun lauantaina 15.11. Helsingissä kello 11.30 Humanismin päivillä siitä, mitä maailmankaikkeudesta tiedämme. Tilaisuus on HERO:n tiloissa, osoitteessa Vilhonkuja 4.

Puhun samana päivänä kello 16.00 Lappeenrannan ylioppilastalon auditoriossa aiheesta ”Maailmankaikkeuden alusta Maapallon alkuun: yhdeksän miljardia vuotta muodonmuutoksia”. Minua ennen, kello 15.00, puhuu ympäristöekologi Kimmo Saarinen aiheesta ”Elämme luonnosta, mutta miksi emme siedä sitä?”. Tilaisuuden järjestävät Lappeenrannan ja ympäristön vapaa-ajattelijat yhdessä Ursan paikallisyhdistys Etelä-Karjalan Novan kanssa. Tilaisuuteen on vapaa pääsy.

Puhun keskiviikkona 3.2. kello 18.00 Helsingissä Tieteiden talolla kosmologiasta ja sen historiasta Skepsiksen tilaisuudessa. Puhe päätynee Skepsiksen YouTube-kanavalle. Tilaisuuteen on vapaa pääsy.

Puhun Utsjoella perjantaina 20.3. tapahtumassa Utsjoen pimennys ja pilkki auringonpimennyksen yhteydessä aiheesta ”Auringonpimennyksestä pimeään aineeseen: todellisyys näkyvän tuolla puolen”. Tapahtuman järjestää Ohcejoga Utsjoen Ursa.

---

Kaksi tarinaa ajasta

26.8.2014 klo 23.09, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pidin Helsingin Juhlaviikkojen Runokuun kosmisissa kohtaamisissa tänään puheen. Runokuun teemana oli aika, ja avainsanoiksi oli annettu ”aika, avaruus, maailmankaikkeus ja ihmisen osa tässä kaikessa”. Puhe meni jokseenkin näin. (Olen aiemmin kirjoittanut ajasta täällä ja täällä.)

Fysiikassa on tällä hetkellä kaksi perustavanlaatuista teoriaa, yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttikenttäteoria. Perustavanlaatuinen tarkoittaa sitä, että niitä ei toistaiseksi voida johtaa mistään, mutta kaikki muu tunnettu fysiikka periaatteessa seuraa niistä.

Yleinen suhteellisuusteoria käsittelee aikaa ja avaruutta, kvanttikenttäteoria käsittelee ainetta ja tapahtumista. Kerron kaksi tarinaa ajasta, yhden suhteellisuusteorian ja toisen kvanttifysiikan näkökulmasta.

Ennen kvanttifysiikan ja suhteellisuusteorian löytämistä vallalla oli klassinen fysiikka. Klassisen fysiikan mukaan avaruus on muuttumaton näyttämö, ja aika kertoo missä kohtaa näytelmää ollaan menossa. Fysiikan lait ovat sääntöjä, jotka kertovat, mitä näyttämöllä tapahtuu. Aika kulkee samalla tavalla kaikkialla eteenpäin, eivätkä näyttämön tapahtumat voi sitä hidastaa tai nopeuttaa. Myöskään näyttämö ei muutu mihinkään.

Yleisessä suhteellisuusteoriassa tilanne on toinen, ja aika ja avaruus ovat osa yhtä kokonaisuutta, aika-avaruutta. Näyttämön tapahtumat vaikuttavat aikaan, niin että aika voi kulkea eri tavalla eri paikoissa, ja avaruuskin voi muuttua. Asian voi ymmärtää niin, että yleinen suhteellisuusteoria kertoo, miten avaruus kehittyy ajassa.

Neliulotteista aika-avaruutta on vaikea hahmottaa, joten voi helpottaa, jos ajattelee yksinkertaistettua tapausta, missä on vain kaksi paikkaulottuvuutta. Avaruus on tällöin kaksiulotteinen levy, joka kaartuu eri tavalla eri kohdissa, ja aika-avaruus on kasa levyjä päällekkäin. Ajan kulumisessa on kyse siirtymisestä levyltä toiselle, levyn kaarevuudessa on kyse gravitaatiosta ja levyjen koon muuttuminen on avaruuden laajenemista tai supistumista. Kasan voi viipaloida eri tavalla levyiksi, eli sen voi jakaa eri tavalla aikaan ja avaruuteen. Oleellista on niiden muodostama kokonaisuus, aika-avaruuden torni.

Klassisen fysiikan yhtälöt määräävät, miten joidenkin kappaleiden paikat muuttuvat ajan myötä, kun niiden alkutila on annettu. Vastaavasti yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt määräävät, miten avaruus kehittyy ajassa, kun alkutilanne tunnetaan. Jos annetaan tieto siitä, millainen on tornin ensimmäinen kerros, niin yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt kertovat, millainen koko aika-avaruuden torni.

Toisin kuin arkikokemuksessa, yleisessä suhteellisuusteoriassa –sen enempää kuin klassisessa fysiikassa– ei ole tapahtumista. Ei ole mitään erityistä hetkeä, missä tulevaisuus muuttuu menneisyydeksi.

Tässä mielessä yleisen suhteellisuusteorian aika-avaruus on valmis kokonaisuus: eilinen ja huominen ovat olemassa samalla tavalla kuin tämä päivä. Tekisi mieli sanoa, että kaikki hetket ovat olemassa ikuisesti, mutta on oikeampaa sanoa, että tapahtumat ovat olemassa ajattomasti, aika-avaruus –tornin eri kerroksissa.

Tässä mielessä mikään ei katoa, olemme aina vastasyntyneitä, aina nuoria, aina kuolinvuoteella. Olemme aina kokemassa onnen hetkiä, ja olemme aina ahdistuksen kuilussa. Esi-isämme ovat aina sytyttämässä tulta ensimmäistä kertaa, ja sivilisaatiomme rauniot ovat aina tomua kuolleen planeetan maakuoressa. Kaikki tämä on olemassa tornissa yhtä lailla.

Tämä ei ole kuolemattomuutta, vaan kuolevaisuuden ajattomuutta.

Yleinen suhteellisuusteoria on deterministinen, mikä tarkoittaa sitä, että kaikilla asioilla on syy. Tulevaisuus määräytyy nykyhetkestä. Jos tiedetään alkutilanne, voidaan laskea, mitä tapahtuu tulevaisuudessa. Kaikki on määrättyä: teini-ikämme kommellukset oli kirjoitettu Linnunradan tomuun ennen Maapallon muodostumista, ja tämänpäiväiset virheemme oli säädetty jo ajalla ennen atomien syntyä.

Tämä on yleisen suhteellisuusteorian tarina ajasta. Se ei kuitenkaan välttämättä vastaa todellisuutta, ja kvanttifysiikalla on erilainen tarina.

Kvanttifysiikan mukaan maailma nimittäin ei ole deterministinen. Alkutilanne ei määrää tulevaisuutta yksikäsitteisesti, se vain kertoo todennäköisyydet eri mahdollisuuksille. Mikään sääntö ei sanele sitä, mikä vaihtoehto toteutuu. Tapahtumilla ei ole syitä, ainoastaan tapahtumien todennäköisyyksillä.

Ajan edetessä yksi mahdollisuuksista toteutuu ja muut katoavat. Kvanttifysiikassa on siis tapahtuminen, rajapinta, jossa määräämätön tulevaisuus muuttuu kiinteäksi menneisyydeksi. Kvanttifysiikan maailmankaikkeus ei ole valmis, se rakentuu ennalta arvaamattomasti hetki hetkeltä.

Yleisen suhteellisuusteorian aikakäsityksessä kokemuksemme tapahtumisesta oletettavasti johtuu siitä, että aivojemme tila on kytkeytynyt ympäristöön, ne piirtävät yhdessä viivan aika-avaruuden tornissa ylöspäin. Nykyisyys on vain rajoitustemme synnyttämä kokemus.

Kvanttifysiikassa ei ole selvää, mikä on tapahtumisen ja aivojen toiminnan suhde. Ovatko tornin alemmat kerrokset olemassa ja niiden hetket aina koettuna samalla tapaa kuin yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa? Vai onko nykyisyyden kokemus sidottu kvanttifysiikan tapahtumiseen, siihen, että epämääräinen muuttuu määrätyksi?

Voi olla, että emme saa vastausta ennen kuin onnistumme yhdistämään yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttikenttäteorian kvanttigravitaatioteoriaksi. Ajan perimmäinen luonne saattaa osoittautua hyvin erilaiseksi kuin miltä tämänhetkisen ymmärryksemme valossa näyttää, niin että nykyiset tarinamme eivät tee sille oikeutta.

---

Kruunan ja klaavan mysteeri

25.8.2014 klo 13.48, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tämänpäiväinen kolumnini Helsingin Sanomissa päättyy näin:

”Arjen yksinkertaisuus on yksi fysiikan suurimpia mysteerejä.”

---

Läikkä onkalon takana

21.8.2014 klo 23.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Toukokuussa kosmologi Fabio Finelli ja kumpp. julkistivat yllättävän tutkimuksen, jonka mukaan ’superonkalo’ (engl. supervoid) selittää miksi kosmisessa mikroaaltotaustassa on kylmä läikkä (engl. cold spot).

Ajattelin kirjoittaa asiasta, koska se on saanut jonkin verran julkisuutta –suurelle yleisölle suunnattu New Scientist –lehti kirjoitti aiheesta heinäkuussa– ja koska yhteistyökumppanini ja minä laitoimme tänään julki artikkelimme, jossa osoitamme, että väite ei pidä paikkaansa. Eräs kollega ehti edelle ja julkisti eilen artikkelinsa, jonka tulos on yhtäpitävä meidän tuloksemme kanssa.

Yritän avata sitä, mistä on kysymys. Usein kysytään, millaista kosmologian tutkimuksen tekeminen on, ja tämä tapaus kenties valaisee asiaa.

Kosminen mikroaaltotausta on eräs tärkeimpiä kosmologisia havaintoja. Se koostuu mikroaalloista, eli näkymättömästä valosta, jotka täyttävät maailmankaikkeuden tasaisesti, niin että niitä matkaa suunnilleen yhtä paljon kaikkiin suuntiin, ja kaikilla on suunnilleen sama energia. Erot ovat vain sadastuhannesosan kokoisia.

Tämä tukee voimakkaasti sitä, että maailmankaikkeus on hyvin samanlainen joka puolella. Galaksit, niiden jakauma ja luonnonlait vaikuttavan olevat samanlaiset lähiympäristössä ja miljardien valovuosien päässä.

Sen lisäksi, että kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ovat pieniä, ne ovat tilastollisesti samanlaisia kaikkialla. Mahdollisia poikkeamia tilastollisesta samanlaisuudesta on etsitty tarkkaan, ja jotkut mahdolliset havainnot joistain erityisistä suunnista nostettiin mikroaaltotaustaa mitanneen Planck-satelliitin merkittävimmiksi tuloksiksi, kun sen data julkistettiin viime vuonna.

Sana ’mahdolliset’ on tärkeä. Koska voimme tehdä mittauksia vain yhdessä maailmankaikkeudessa, ei ole aivan suoraviivaista sanoa, onko se tilastollisesti poikkeuksellinen. Yleensä tilastollisia ominaisuuksia arvioidaan vertaamalla useita havaittuja tapauksia. Esimerkiksi noppia heitetään monta kertaa, jotta saataisiin selville, ovatko ne painotettuja, vai onko todennäköisyys sama kaikille tuloksille.

Koska meillä on vain yksi taivas silmiemme yllä, kosmologiassa tehdään toisin päin. Oletetaan tietty tilastollinen jakauma, lasketaan tietokoneella taivaita, joilla on tämä jakauma ja arvioidaan sitten näyttääkö havaittu taivas tyypilliseltä laskettujen taivaiden joukossa.

Kysymys tyypillisyydestä on jossain määrin mielipidekysymys. Jos heitän kourallisen kolikoita ympäri huonetta ja kysyn sitten, mikä oli todennäköisyys, että kolikot päätyivät juuri niihin paikkoihin mihin ne laskeutuivat, niin jakauma vaikuttaa hyvin epätodennäköiseltä. Samoin, jos huomaan tietyn kasan kolikoita ja kysyn, kuinka usein tällaisia kasoja syntyy, niin vastaus ei välttämättä anna rehellistä kuvaa siitä, onko tulos tyypillinen, koska muilla kerroilla olisi voinut syntyä toisenlaisia kasoja, joita olisin pitänyt yhtä kummallisina.

Eräs eniten huomiota saanut poikkeama mikroaaltotaivaalla on nimeltään kylmä läikkä. Se on iso alue taivaalla, josta tulevat mikroaallot ovat keskimääräistä paljon kylmempiä. Noin yhdestä tietokoneella lasketusta taivaasta tuhannen joukossa löytyy vastaava alue, joten jotkut pitävät sitä epätavallisena. Avainsana on kuitenkin ’vastaava’. Nimestään huolimatta alue ei nimittäin ole poikkeuksellisen kylmä verrattuna tyypillisten taivaiden kylmimpään alueeseen – joku aluehan on aina kylmin. Alueesta tekee poikkeuksellisen se, että kylmää keskustaa ympäröi harvinaisen muotoinen kuuma kehä.

On eri näkemyksiä siitä, onko huomion kiinnittäminen tähän oikeutettua vai ei. Itse en tiedä, miksi olisi syytä etsiä juuri tällaista kehärakennetta. Joissain muissa maailmankaikkeuksissa taivaalla voi sattua olemaan muunlaisia kummallisuuksia.

Monien kosmologien mielestä kylmä läikkä kuitenkin kaipaa selitystä, ja erilaisia vaihtoehtoja on tarjottu. Toukokuussa Finellin ja kumpp. julkistaman artikkelin mukaan läikän takana on kosminen onkalo.

Onkalot ovat alueita, joissa on paljon vähemmän galakseja kuin avaruudessa keskimäärin. Suurin osa maailmankaikkeuden tilavuudesta koostuu onkaloista, joita ympäröivät galakseista koostuvat rihmat ja seinämät. (Max Planck –instituutin sivuilla on aiheesta näyttäviä simulaatioita.)

Koska onkaloissa on keskimääräistä vähemmän ainetta, aineen vetovoima hidastaa niiden laajenemista vähemmän. Tämän takia onkalot laajenevat keskimääräistä nopeammin, joten niiden läpi kulkeva valo venyy enemmän, joten sen lämpötila on pienempi.

Maailmankaikkeudessa on siis onkaloita ja niiden läpi mennyt valo on kylmempää. Tyypillisten onkaloiden vaikutus on kuitenkin niin pieni, että sitä ei pysty erottamaan taivaan sattumanvaraisista vaihteluista.

Kylmän läikän aikaansaamiseen tarvittaisiin onkalo, joka on aivan poikkeuksellisen iso ja syvä. Tämä idea esitettiin jo vuonna 2006. Onkaloiden tyypillinen koko on noin 100 miljoonaa valovuotta, kylmän läikän selittämiseen on ehdotettu kymmenen kertaa isompaa onkaloa, joka on nimetty ’superonkaloksi’.

Isojen onkaloiden löytämisestä raportoidaan aina silloin tällöin, ja aina löydöt eivät pidä paikkaansa. Toukokuussa julkaistiin artikkeli, jossa kerrottiin uskottavasti tällaisen ison onkalon löytymisestä kylmän läikän kohdalta. (Se, että jokin on uskottavaa, ei tarkoita sitä, että se olisi välttämättä totta.)

Finelli ja kumpp. esittivät sitten, että juuri tämä onkalo on vastuussa kylmästä läikästä. Menemättä yksityiskohtiin, vaikka väitetty onkalo olisi olemassa (mikä ei ole epätodennäköistä), sen aiheuttama vaikutus on kuitenkin aivan liian pieni aiheuttaakseen kylmän läikän. Eräs ongelma on se, että onkalo ei ole kovin tyhjä, joten sen laajenemisnopeus ei ole kovin paljon keskimääräistä isompi.

Heti artikkelin tultua julki kollegani Sesh Nadathur, opiskelijani Mikko Lavinto ja minä hahmotimme, että Finellin et al väite on väärin. Otimme mukaan tuttumme Shaun Hotchkissin, joka laski todennäköisyyksiä erilaisten onkaloiden olemassaololle. Muutamassa kuukaudessa kesälomien tahdittamana teimme (minun osuuteni oli varsin vähäinen) laskut ja kirjoitimme tulokset. Osoitimme, että löydetty onkalo ei selitä kylmää läikkää. Mutta se lisäksi laskimme, onkalon selittävän läikä pitäisi olla niin iso ja tyhjä, että sen olemassaolo on epätodennäköisempää kuin se, että läikkä on syntynyt sattumalta.

Tämä on kosmologian arkipäivää: löytyy uusi asia, joka näyttää selittävän jotain aiemmin epäselvää, ja jotkut kiiruhtavat julkistamaan tuloksensa. Muut siten käyvät väitteitä läpi ja varmentavat tai kumoavat ne.

Paljon puhutulla tieteellisten julkaisujen vertaisarvioinnilla on tässä vain pieni rooli. Yhtäkään mainituista artikkeleista ei ole vielä julkaistu. Yksi tai kaksi vertaisarvioijaa eivät ole lainkaan niin tehokkaita totuuden tarkistajia kuin koko kosmologien yhteisö, joten tärkeintä on se, että havainnot ja analyysi ovat kaikkien saatavilla ja syynättävissä.

Tämä on näkynyt myös BICEP2-kokeen kohdalla. Planck-koeryhmän oli määrä julkaista analyysinsä aiheesta elokuuhun mennessä, mutta sitä odotellaan vielä.

Päivitys (22/09/14):  Yhteistyökumppanini Sesh Nadathur ja Shaun Hotchkiss ovat kirjoittaneet aiheesta omissa blogeissaan.

---

Hirvittävä merkkipaalu

11.8.2014 klo 17.13, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Palailen lomilta fysiikkaan, kohta tässä blogissakin. Mainitsen edellisen merkinnän tiimoilta vielä Hiroshiman muistopäivänä 6.8. pitämäni puheen. Ote:

”Ensimmäiset ydinaseet kehittäneen Manhattan-projektin johdossa olleelta Robert Oppenheimerilta kysyttiin Yhdysvaltain kongressissa 1946, eikö muutama ihminen voisi salakuljettaa ydinpommin New Yorkiin ja tuhota kaupungin. Oppenheimer vastasi, että tietysti. Huolestunut kongressin jäsen kysyi Oppenheimerilta, miten tällaisen kaupunkiin tuotavan ydinpommin voisi havaita ajoissa. Oppenheimer vastasi: ”ruuvimeisselillä”.”

Helvetinkoneet ja utopia

4.8.2014 klo 17.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitan Helsingin Sanomien elokuun kolumnissani ydinaseista ja vastuusta. Puhun aiheesta Hiroshiman tuhoamisen muistotilaisuudessa keskiviikkona 6.8. kello 18 Tikkurilan Veininmyllyllä, osoitteessa Tikkurilantie 42, Vantaa. Tilaisuuden järjestää Vantaan Rauhanpuolustajat.

Aihetta sivuten, kirjoitin Hybris-lehteen utopiasta, joukkotuhosta ja teknologiasta otsikolla ”Unelmia itsemurhan partaalla”. Ensimmäinen kappale on seuraava:

”Ihmiskunta on tienhaarassa. Kymmeniä tuhansia vuosia lajillamme oli niin suuri lukumäärä ja laaja levinneisyys, että sen tuhoutuminen vaatisi maailmanlaajuisen mullistuksen, mutta emme vielä olleet teknologisesti tarpeeksi edistyneitä, että pystyisimme saamaan sellaisen aikaan. 1900-luvulla tilanne muuttui. Joukkotuhoaseiden rakentaminen ja kiihtyvän teollistumisen aiheuttama katastrofaalinen ilmastonmuutos ovat johtaneet siihen, että ihminen saattaa olla yksi meneillään olevassa joukkosukupuutossa häviävistä lajeista. Silloin luultavasti edes mitään geenejämme ei päädy eteenpäin, vaan sukupuumme päättyy.”

---

Joskus epäily on järjetöntä

30.6.2014 klo 12.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Helsingin Sanomien heinäkuun kolumnini päättyy näin:

”Siirtymä kuvitelluista ylhäältä annetuista totuuksista epävarman tiedon todellisuuteen on tieteen keskeinen saavutus. Kohtuuttoman epäilyn esittäminen perustellun epävarmuuden väreissä, jotta ilmastokatastrofiin ei puututtaisi, on surullinen esimerkki tämän saavutuksen väärinkäytöstä.”

Blogit ovat lomalla heinäkuun ajan. Elokuussa pitäisi olla lisäselvyyttä BICEP2:n havainnoista, ja toivon mukaan blogipohja on vaihtunut ja kommentointi toimii taas – tuntuu kummalliselta kirjoittaa tänne saamatta kommentteja ja kysymyksiä.

---

Portaat muinaiseen maailmaan: askelmista 4 ja 5

27.6.2014 klo 21.28, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

BICEP2-koeryhmän väittämästä gravitaatioaaltolöydöstä on tullut uutta tietoa – tai uusia huhuja. Planck-ryhmään kuuluva tutkija kertoi viime viikolla, että heiltä on tulossa heinäkuun loppuun mennessä uusiin havaintoihin perustuva analyysi Linnunradan pölystä peräisin olevasta polarisoituneesta mikroaaltotaustasäteilystä. Tulokset kuulemma tukevat sitä näkemystä, että BICEP2 ei ole nähnyt gravitaatioaaltoja. Planckin uusien tulosten on kokonaisuudessaan määrä tulla julkisiksi vasta lokakuussa.

Olen aiemmin kirjoittanut havaitun BICEP2:n havaitseman polarisaation yhteydestä gravitaatioaaltoihin. Uusien tarkastelujen valossa tämä yhteys on aiempaa huterampi, mutta käsittelen kuitenkin nyt hieman sitä, mitä BICEP2:n havainnoista voisi päätellä, jos ne todella johtuvat gravitaatioaalloista. Vaikka BICEP2 ei olisikaan havainnut gravitaatioaaltoja, voi olla että joku muu lähitulevaisuuden mikroaaltokoe niin tekee.

4) Voivatko havaitut gravitaatioaallot olla peräisin muualta kuin inflaatiosta?

Gravitaatioaallot ovat pieniä häiriöitä gravitaatiokentässä, ja niitä syntyy massojen liikkuessa. Gravitaatioaaltoja syntyy koko ajan, mutta ne ovat tyypillisesti hyvin heikkoja. BICEP2 ei näe aaltoja suoraan, vaan koeryhmä päättelee niiden olemassaolon siitä, että mikroaaltojen polarisaatio on erilainen eri suunnissa taivaalla, satojen miljoonien vuosien etäisyyksillä. BICEP2:n näkemissä aalloissa on erityistä tämä valtava aallonpituus, mikä viittaa siihen, että niiden alkuperä on kosminen inflaatio. Tähän liittyy kosmologisen horisontin käsite.

Maailmankaikkeus on äärellisen ikäinen ja valo kulkee äärellisellä nopeudella, joten näemme vain äärellisen osan maailmankaikkeutta. Näkemämme alueen rajaa kutsutaan kosmologiseksi horisontiksi. Maailmankaikkeuden ikä on noin 14 miljardia vuotta, joten jos maailmankaikkeus ei laajenisi, niin horisontin etäisyys olisi nykyään 14 miljardia valovuotta. Koska maailmankaikkeus laajenee, horisontti on kauempana, noin 50 miljardin valovuoden etäisyydellä. Valon etäisyys lähtöpisteestään ei kasva vain siksi, että valo liikkuu, vaan myös sen takia, että avaruus venyy.

Horisontti kasvaa aina ajan myötä, koska valo on ehtinyt kulkea pidemmän matkan. Tämä ei kuitenkaan välttämättä tarkoita sitä, että myöhemmin näkisi suuremman osan maailmankaikkeutta. Näin tapahtuu vain silloin, kun valon kulkema matka kasvaa nopeammin kuin maailmankaikkeuden osien välinen etäisyys. Jos maailmankaikkeuden laajeneminen hidastuu, näin käy: ajan kuluessa näkyviin tulee uusia alueita, joista ei ole aiemmin saanut mitään tietoa. Jos laajeneminen kiihtyy, käy toisin päin: näkyviin ei tule uusia alueita, ja vanhatkin katoavat hiljalleen näkyvistä. Tällöinkin horisontin sisällä oleva alue kasvaa, mutta sen osuus koko maailmankaikkeudesta pienenee.

Kosmisen mikroaaltotaustan syntyhetkellä maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden ikäinen. Jos maailmankaikkeuden laajeneminen olisi aina hidastunut, valo olisi tuolloin ehtinyt kulkea korkeintaan 760 000 valovuotta. BICEP2:n näkemien gravitaatioaaltojen aallonpituus on samaa suuruusluokkaa. (Tai siis oli tuolloin: maailmankaikkeus on sittemmin laajentunut 1090-kertaisesti, joten gravitaatioaallot ovat venyneet satojen miljoonien valovuosien mittoihin.)

Informaatio kulkee korkeintaan valonnopeudella, joten on vaikea ymmärtää, miten tilanteessa, jossa laajeneminen hidastuu, olisi mahdollista saada aikaan horisontin kokoisia gravitaatioaaltoja. Jos gravitaatioaallot ovat peräisin aineen liikkeestä, niin tämä tarkoittaisi sitä, että aineen pitäisi muuttua samalla tavalla kaikkialla näkyvän maailmankaikkeuden alueella. Yksi mahdollisuus tähän on spekulatiiviset aineen olomuodon muutokset, jotka voivat tuottaa gravitaatioaaltoja, mutta ainakaan toistaiseksi tutkitut vaihtoehdot sovi BICEP2:n havaintoihin.

Kosminen inflaatio ratkaisee ongelman. Inflaation mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyi ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana. Tällöin tyhjän avaruuden kvanttifluktuaatioista syntyi gravitaatioaaltoja. Kiihtyvän laajenemisen takia aaltojen pituus venyi paljon isommaksi kuin maailmankaikkeuden näkyvän osan koko. Inflaation loputtua laajeneminen rupesi taas hidastumaan, joten horisontti alkoi saamaan kiinni näitä aaltoja, ja ne tulivat takaisin näkyviin. Inflaatio saa aikaan aaltoja monilla eri aallonpituuksilla, joten on aina olemassa gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on sama kuin kulloisenkin horisontin.

Tämän takia BICEP2:n tulokset, jos niissä on kyse gravitaatioaalloista, tukevat voimakkaasti ideaa inflaatiosta, ja kertovat sen yksityiskohdista.

5) Mitä havaitut gravitaatioaallot kertovat inflaatiosta?

Koska BICEP2:n tulosten tulkinta on tällä hetkellä hyvin epävarma, kirjoitan niiden merkityksestä inflaatiolle vain lyhyesti.

Gravitaatioaallot kertovat, mikä oli maailmankaikkeuden energiatiheys inflaation aikaan. Koska maailmankaikkeus laajenee, sen energiatiheys (eli energia per tilavuus) laskee. Inflaation aikoihin energiatiheys oli hyvin suuri, joten inflaatiota koskevat havainnot antavat tietoa siitä, millaisia fysiikan lait ovat hyvin korkeilla energioilla.

Inflaation tuottamien gravitaatioaaltojen voimakkuus riippuu energiatiheydestä, ja BICEP2:n mukaan inflaation aikainen energiaskaala oli tuhat miljardia kertaa isompi kuin se, mikä LHC-kiihdyttimessä saavutetaan. Koska energiatiheys laskee ajan myötä, on myös mahdollista arvioida maailmankaikkeuden ikä inflaation aikana, ja BICEP2:n mukaan inflaatio tapahtui maailmankaikkeuden ollessa sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tuhannesosan ikäinen.

Suurimmassa osassa inflaatiomalleja energiaskaala on pienempi, joten niissä syntyy heikompia gravitaatioaaltoja. Esimerkiksi polarisaation B-moodeja ensimmäisenä, viime joulukuussa, havainneen South Pole Telescopen taustamateriaalissa todetaan, että inflaation aiheuttamista gravitaatioaalloista johtuvien B-moodien voimakkuus on isompi kuin gravitaatiolinsseistä aiheutuvien B-moodien (eli yhtä iso kuin mitä BICEP2 väittää) ”kaikissa paitsi optimistisimmissa inflaatiomalleissa”.

BICEP2:n gravitaatioaallot siis heittäisivät roskakoriin suurimman osan inflaatiomalleista. Tämä on erinomaisen hyvä asia tieteen etenemisen kannalta. Kukaan ei liene laskenut, paljonko erilaisia inflaatiomalleja on esitetty, mutta sellaisia malleja, jotka ovat tietyssä mielessä yksinkertaisia, on keksitty noin 200 erilaista. Niistä vain 36 sopii sekä Planckin että BICEP2:n havaintoihin, joten BICEP2 on merkittävästi lisännyt tietoamme inflaatiosta. Oikeita inflaatiomalleja on tietysti korkeintaan yksi, ja tarvitaan tarkempia havaintoja erottelemaan noita jäljellejääneitä 36:ta – sekä uusia inflaatiomalleja, joita on jo kehitetty nimen omaan sopimaan BICEP2:n tuloksiin. On kuitenkin vielä ennenaikaista kuopata yhtään mallia, ennen kuin BICEP2:n tuloksista saadaan selvyys, kenties jo tänä kesänä.