Kosmokseen kirjoitettua

Oppipojat, kisällit ja mestarit

19.2.2014 klo 23.20, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Maisterin tutkinnon saamista ja gradun hyväksymistä kutsutaan valmistumiseksi. Teoreettisen fysiikan tutkijaksi aikovan kohdalla se kuitenkin tarkoittaa vain sitä, että on valmis aloittamaan tutkimuksen tekemisen opettelun.

Ihmistieteissä on mahdollista valita itse aiheensa ja tehdä uutta tutkimusta jo ennen graduvaihetta. Tämä johtuu siitä, että tutkimuksen kohteet liittyvät ihmiselämään, ja niiden jäsentämisessä käytetty kieli on lähellä arkista kieltä. Fysiikassa sen sijaan pelkästään sen ymmärtäminen, mitä tutkimuskohteet ovat, vaatii arkiajattelulle vieraiden käsitteiden omaksumista, ja niiden käsittely edellyttää matematiikan kielen hallitsemista. Lisäksi tutkimus rakentuu aiemmin löydetyn päälle enemmän kuin ihmistieteissä.

Niinpä opiskelijoilla ei yleensä vielä väitöskirjatyötä aloittaessakaan ole käsitystä siitä, mitkä ovat oleellisia kysymyksiä edes jollain teoreettisen fysiikan kapealla osa-alueella, vaikkapa kosmologisten inflaatiomallien saralla. Väitöskirjan aiheiden valinta onkin suurelta osin ohjaajan käsissä, ja aiheen merkitys ja sijainti tutkimuksen kentällä tyypillisesti hahmottuu opiskelijalle vasta tutkimuksen tekemisen myötä.

Kuten käsityöt, teoreettisen fysiikan oppii vain tekemällä, ja ohjaajan ja jatko-opiskelijan suhde muistuttaa mestarin ja oppipojan suhdetta. (Käytän tuota vanhaa sukupuolittunutta termiä, vaikka fysiikan yhteisön tasa-arvon tila ei olekaan yhtä huono kuin ammoisen ammattikuntajärjestelmän.) Ohjauksessa välitetään kirjaamatonta tietoa tutkimuksen tekemisestä ja tutkimusyhteisöstä, ja väitöskirja vastaa kisällityötä. Kuten oppipoikien tapauksessa, väitöskirjaopiskelijoiden kontolle tulee ikäviä töitä, jotka jonkun pitää hoitaa, kuten kursseilla assistentteina toimimista ja konferenssien käytännön järjestelyä. Väittelyn jälkeen kisällin on sitten aika vaellella itsenäisesti eri puolilla maailmaa, kunnes lopulta pääsee jonnekin mestariksi tai luopuu leikistä.

Viime aikoina on keskusteltu siitä, pitäisikö väitöskirjojen tekijöitä rahoittaa apurahoilla vai työsuhteesta maksettavalla palkalla. Apurahoja myöntävät säätiöt haluavat pitää kiinni päätösvallastaan sen suhteen, ketä rahoitetaan, ja voivat lisäksi vedota siihen, että alle 19 000 euron apurahat ovat verovapaita, joten samalla summalla saa tuettua useampia opiskelijoita. Ainakaan teoreettisessa fysiikassa väitöskirjaopiskelu ei kuitenkaan ole riippumatonta tutkimusta, minkä tukemiseen apurahat ovat omiaan.

Kyse ei toisaalta ole tavallisesta työsuhteestakaan, edes palkkajärjestelyjen osalta. Yleensä palkka nimittäin maksetaan ohjaajan apurahoista, joita hänen täytyy opiskelijoilleen yrittää haalia vuosi toisensa jälkeen. Tutkimuksen laadun, ajankäytön ja opiskelijoiden taloudellisen vakauden kannalta olisi parempi, että tutkijat voisivat päättää keitä ottavat jatko-opiskelijoiksi, mutta nämä solmisivat työsopimuksen yliopiston kanssa, joka maksaisi heille palkkaa. Ei yrityksissäkään projektin vetäjä ole vastuussa ulkopuolisen rahoituksen haalimisesta projektin jäsenten palkkojen maksamiseen. Tällainen järjestelmä myös turvaisi jatko-opiskelijoita ohjaajan kanssa syntyvien ongelmien varalta.

Väitöskirjaopiskelija on riippuvainen ohjaajasta muutenkin kuin palkan suhteen. Kehnoilla neuvoilla on vaikea oppia tekemään hyvää työtä, ja voi myös olla haitallista, jos ohjaaja on valinnut aiheen, joka on tutkimusyhteisössä marginaalinen. Väittelyn jälkeistä ensimmäistä paikkaa haettaessa on oleellista, mitä ohjaajan suosituskirjeessä lukee, ja kun kirjeiden sisältö on salainen, niin ikävä ohjaaja voisi aiheetta tyrehdyttää opiskelijan uran alkuunsa. Lisäksi paikkojen jakamisessa varmasti vaikuttaa se, kenen opiskelija on kyseessä ja millaisissa väleissä tämän ohjaaja on paikasta päättävän henkilön kanssa. Ensimmäisen paikan saamisen jälkeen ohjaajan merkitys on pienempi, kisällit ovat oman onnensa seppiä, mutta suosituskirjeillä ja epämuodollisella tuella on silti pieni rooli.

Minulla oli hyvä onni väitöskirjaohjaajien kanssa, ja Helsingissä on hiukkaskosmologian alalla tapana pitää yhteyttä väitelleisiin tutkijoihin ja rakentaa tutkimusyhteisöä heidän avullaan, mutta toisinkin olisi voinut käydä.

---

Läpi harmaan kiven

31.1.2014 klo 18.36, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainitsin aiemmassa merkinnässä kvanttifysiikan ilmiöstä nimeltä tunneloituminen. Kvanttifysiikka (kuten myös suhteellisuusteoria) paljastaa, että maailma on pohjimmiltaan hyvin erilainen kuin mitä arkikokemuksen perusteella kuvittelee. Todellisuudessa on kaikenlaista kummallista, kuten kvanttivärähtelyitä, virtuaalisia hiukkasia ja Casimirin voimaa. Tunneloituminen on eräs näistä arkijärjelle vieraista asioista. Se on kvanttifysiikassa keskeinen ilmiö, ja on vastuussa raskaiden atomiydinten radioaktiivisuudesta. Palohälyttimien toiminta perustuu juurikin radioaktiivisuuteen, eli tunneloitumista hyödynnetään melkein joka kodissa.

Tunneloituminen liittyy hiukkasten kvanttimekaaniseen käyttäytymiseen. Asia on helpointa ymmärtää tarkastelemalla ensin klassista mekaniikkaa. Klassisessa mekaniikassa kappaleilla on kahdenlaista energiaa: liike-energiaa ja potentiaalienergiaa. Liike-energia on sitä isompi mitä nopeammin kappale liikkuu. Jos tarkastellaan kappaleen liikettä Maapallon gravitaatiokentässä, niin potentiaalienergia on negatiivinen ja itseisarvoltaan sitä isompi, mitä alempana kappale on. Kokonaisenergia säilyy, joten jos kappale siirtyy alemmas, niin sen potentiaalienergiasta tulee negatiivisempi ja liike-energia kasvaa. Vesivoimaloiden energiantuotto perustuu tähän gravitaatiokentän energian hyödyntämiseen. Vastaavasti ilmaan heitetyllä kappaleella pitää olla tarpeeksi suuri liike-energia, jotta se pääsisi nousemaan tietylle korkeudelle. Jos talon pihalla on korkea aita, niin pihalla olevalla pallolla pitää olla tarpeeksi liike-energiaa aidan ylittääkseen, jotta se pääsisi toiselle puolelle.

Kvanttimekaniikassakin hiukkasella on liike-energiaa ja potentiaalienergiaa, ja niiden summa on vakio. Mutta toisin kuin klassisen mekaniikan kappaleella, kvanttimekaniikan hiukkasella ei ole määrättyä paikkaa. On vain todennäköisyys sille, että hiukkanen on tietyssä paikassa kun sitä sieltä etsitään. Tämä todennäköisyys ei ole missään täysin nolla, aina on joku pieni mahdollisuus että hiukkanen löytyy mistä sitä ikinä etsiikään. Jos hiukkasen paikka on eri mittauskerroilla erilainen, voidaan sanoa, että se on siirtynyt. Kyse ei kuitenkaan ole liikkeestä: hiukkanen ei ole matkannut välissä olevan tilan halki. Mittausten välissä sillä kun ei ole ollut mitään määrättyä sijaintia.

Sellaisen hiukkasen, joka on voimakkaasti sidottu toiseen hiukkaseen, todennäköisyys löytyä mistään muualta kuin sidoskumppaninsa läheltä on erittäin pieni. Esimerkiksi molekyylin osana olevat atomiytimet löytyvät yleensä suunnilleen samoilta paikoilta. Samoin arkisen mittakaavan kappaleiden tapauksessa todennäköisyys kvanttimekaaniselle siirtymälle on äärimmäisen vähäinen. On periaatteessa mahdollista, että avaimet ovat siirtyneet keittiön pöydältä jääkaappiin käymättä välissä olevan tilan kautta, mutta hajamielisyys on verrattoman paljon luultavampi selitys.

Mahdollisuus siirtyä paikasta toiseen kulkematta välissä olevan tilan halki johtaa kiinnostaviin seurauksiin. Toisin kuin klassisessa fysiikassa, kvanttimekaniikassa pallon ei tarvitse ylittää aitaa päästäkseen toiselle puolelle, joten sillä ei tarvitse olla aidan korkeudelle nousemiseen tarvittavaa energiaa. Tunneloituminen tarkoittaa tällaista siirtymistä paikasta toiseen tavalla, joka olisi klassisessa mekaniikassa esteiden takia mahdotonta.

Tunneloituminen on yleensä hyvin epätodennäköistä. Se on sitä todennäköisempää, mitä suurempi on paikkojen potentiaalienergian ero (pallon on helpompi tunneloitua pihalta, jos aidan toisella puolella maanpinta on alempana) ja sitä vähemmän todennäköistä, mitä kauemmas pitää siirtyä (paksumman aidan läpi on vaikeampi tunneloitua). Mutta jos kokeilee tarpeeksi monta kertaa, eli odottaa tarpeeksi kauan, niin lopulta pallo siirtyy.

Atomiydinten radioaktiivisuudessa on kyse tunneloitumisesta. Atomiydin koostuu protoneista ja neutroneista. Ydinvoima vetää protoneita ja neutroneita yhteen ja estää niitä pakenemasta ytimestä. Mutta ydinvoiman kantama on melko lyhyt, joten jos protoni pääsee tarpeeksi kauas ytimestä, niin se on vapaa. Niinpä atomiytimeen sidottu protoni tunneloituu lopulta pois, ja ytimeen jää vähemmän protoneita. Toisin sanoen ydin muuttuu eri alkuaineeksi, ja säteilee poistuneet hiukkaset ympäristöönsä. Usein poistuneiden hiukkasten liike-energia on iso, mikä tekee radioaktiivisista aineista ihmisille vaarallisia, koska nopeat hiukkaset vahingoittavat ihmiskehon soluja. Tunneloitumisen epätodennäköisyys on sen takana, että joillakin radioaktiivisilla aineilla kestää kauan hajota.

Eräs kosmologian keskeisistä kysymyksistä, Higgsin kentän vakaus, liittyy sekin tunneloitumiseen. Tällä hetkellä Higgsin kenttä on asettunut kaikkialla näkemässämme avaruudessa rauhalliseen tilaan, jossa se ei liiku minnekään. Mutta Higgsin kentällä saattaa olla joku tila, jossa sen potentiaalienergia olisi vielä alhaisempi, jonne se voisi siis tunneloitua. Tämän seurauksena aine sellaisena kuin sen tunnemme tuhoutuisi välittömästi ja lisäksi maailmankaikkeus romahtaisi. Ei tiedetä, onko Higgsin kentän tila täysin vakaa, mutta joka tapauksessa sen elinikä on paljon pidempi kuin maailmankaikkeuden ikä, joten asiasta ei muiden kuin hiukkaskosmologien tarvitse kantaa huolta.

Pikku-uutisia: Suhteellisuusteorian tutkija Stephen Hawking on ilmaissut näkemyksensä eräästä mustiin aukkoihin liittyvästä spekulatiivisesta seikasta. Tästä on uutisoitu laajalti; asiasta kiinnostuneille voi suositella Matt Strasslerin blogikirjoitusta.

---

Kohti näkymätöntä valoa

13.1.2014 klo 16.32, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoittaessani parallaksista mainitsin punasiirtymästä, ja koska se on kosmologiassa keskeinen käsite, selitän sitä hieman.

Kosmologinen punasiirtymä tarkoittaa sitä, että kaukaisista kohteista tulevan valon aallonpituus on isompi kuin mitä se oli silloin, kun valo lähti matkaan. Alkuperäinen aallonpituus on mahdollista päätellä siitä, että eri alkuaineet lähettävät valoa vain tietyillä aallonpituuksilla – nämä aallonpituudet on alkuaineiden sormenjälkiä, kaikille erilaisia ja helposti tunnistettavia. Jos mitataan samasta kohteesta tulevaa valoa useilla eri aallonpituuksilla, niin voidaan erottaa, mistä alkuaineesta on kyse, koska ne ovat kaikki venyneet samalla tavalla. Sormenjäljen tunnistaa kyllä, olipa kuva isompi tai pienempi, kunhan se venyy tasaisesti.

Valon aallonpituuteen vaikuttaa kaksi seikkaa: valonlähteen ja havaitsijan välinen nopeus ja maailmankaikkeuden laajeneminen. Ensiksi mainittu tunnetaan nimellä Dopplerin ilmiö, ja sen voi havaita arkielämässä ääniaaltojen kohdalla: ambulanssin sireeni kuulostaa erilaiselta ambulanssin tullessa vastaan ja mennessä pois, koska äänen taajuus muuttuu. Asiaa voi havainnollistaa miettimällä veden aaltoja: niitä vastaan uidessa kohtaa aallonharjoja useammin kuin silloin jos ui poispäin, eli aallon taajuus on isompi.

Toisin kuin Dopplerin ilmiö, maailmankaikkeuden laajeneminen aina kasvattaa aallonpituutta: koska avaruus laajenee, valo venyy. Mitä kauemmin valo on avaruudessa, sitä enemmän se ehtii venyä, eli kaukaa matkaavan valon aallonpituus on kasvanut enemmän. (Sellaisten alueiden, joissa avaruus romahtaa, esimerkiksi muodostuvien galaksiryppäiden, läpi kulkiessa valon aallonpituus kutistuu eli sinisiirtyy. Mutta tällaisten alueiden osuus maailmankaikkeudesta on hyvin pieni.) Kosmologisilla etäisyyksillä kosmologinen punasiirtymä on paljon isompi kuin Dopplerin ilmiö. Tällä oli suuri merkitys siinä, että maailmankaikkeuden ymmärrettiin laajenevan, ja se auttaa erottamaan kosmologisen punasiirtymän Dopplerin ilmiöstä.

1900-luvun alkupuolella ajateltiin, että maailmankaikkeus on ikuinen ja staattinen. Jos emme ole erityisessä paikassa maailmankaikkeudessa, niin suunnilleen yhtä moni galaksi liikkuisi meitä kohti ja meistä poispäin. Niinpä galakseista tuleva valo olisi Dopplerin ilmiön takia puolessa tapauksista punasiirtynyt, ja puolessa sinisiirtynyt. Siirtymät olisivat myös riippumattomia galaksien etäisyydestä meistä, jos galaksien liike on jokseenkin samanlaista kaikkialla.

Vuonna 1929 Edwin Hubble huomasi kuitenkin, että lähes kaikkien galaksien meille tuleva valo on punasiirtynyt, poikkeuksena vain jotkut lähellä olevat galaksit. Lisäksi punasiirtymä on sitä isompi, mitä kauempana galaksi on. Kaksi vuotta aikaisemmin Georges Lemaître oli selittänyt maailmankaikkeuden laajenemisen johtavan tällaiseen ilmiöön, ja hän myös määritti etäisyyden ja punasiirtymän mitatusta suhteesta, kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee. Hubble sen sijaan ei koskaan hyväksynyt maailmankaikkeuden laajenemista, vaikka hänet tunnetaankin ”laajenevan maailmankaikkeuden isänä” ja Lemaîtren teoreettisesti ja kokeellisesti määrittelemä laajenemisnopeutta kuvaava vakio tunnetaan Hubblen vakiona.

Maailmankaikkeuden laajenemisesta on nykyään suuri määrä erilaista todistusaineistoa, mutta etäisyyden ja punasiirtymän suhde on yhä kiinnostava tutkimuskohde. Punasiirtymä kertoo, paljonko maailmankaikkeus on laajentunut sen jälkeen, kun valo lähti kohteesta. Niinpä kaikki saman punasiirtymän omaavat kohteet taivaalla ovat yhtä vanhoja, eli punasiirtymä on ajan mitta. Kun mitataan eri punasiirtymällä olevien kohteiden etäisyyksiä, voidaan laskea etäisyyden muutos ajan kuluessa, eli se, miten maailmankaikkeus laajenee. Nämä tutkimukset johtivat vuonna 1998 yllättävimpään löytöön kosmologiassa sitten 1920-luvun: maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt viimeisen muutaman miljardin vuoden aikana.

Nimi punasiirtymä tulee siitä, että ihmisaivot esittävät valon aallonpituuden väreinä, ja pidempi aallonpituus vastaa punaisempaa väriä. Mitä kaukaisempia kohteita katsoo, sitä punaisemmilta ne näyttävät, kunnes ne lopulta siirtyvät ihmissilmän näkymättömiin. Kosminen mikroaaltotausta on maailmankaikkeuden vanhinta valoa. Muodostuessaan maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuoden ikäinen se oli näkyvän valon ja infrapunavalon alueella, mutta nyt sen aallonpituus on venynyt tekijällä 1090, eikä mikroaaltoja näe silmin. Maailma on täynnä näkymätöntä ja kylmää valoa.

Päivitys 1 (14/01/14): Kosmisen mikroaaltotaustan syntymäaika korjattu.

Päivitys 2 (29/03/15): Edwin Hubblen havaintojen vuosiluku korjattu.

---

Sattuman siemenet esillä

8.1.2014 klo 19.58, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pidin marraskuussa 2011 Suomalaisen Teologisen Kirjallisuusseuran symposiumissa esityksen ”Sattuman siemenet” nykykäsityksestämme maailmankaikkeudesta. Sen pohjalta kirjoittamani artikkeli on nyt ilmestynyt kirjassa ”Ihminen, uskonto ja luonnontieteet”. Muiden kirjoittajien otsikoina ovat mm. ”Galilei ja tieteellinen vallankumous”, ”Jättääkö tiede tilaa hengellisyydelle?” ja ”Yhdysvaltalaisen kristillisen oikeiston maailmankatsomus”. Oman tekstini viimeinen kappale on tämä:

 ”Kaikkien rakenteiden, kuten planeettojen tai ihmisten, yksityiskohdat ja koko olemassaolo on sattuman seurausta. Suurinta osaa maailmankaikkeuden aineesta ei pysty näkemään eikä koskemaan. Maailmankaikkeuden mittakaavat ovat niin pituuksien kuin aikojenkin suhteen inhimilliselle kokemukselle vieraita. Varhaisessa maailmankaikkeudessa kaikki tapahtuu äärimmäisen nopeasti ja erittäin pienillä etäisyyksillä, myöhempinä aikoina kosmologinen kehitys on niin hidasta ja tapahtuu niin suuressa mittakaavassa, että ihmiskunnan, saati yksittäisen ihmisen, elinaikana kaikki on oleellisesti paikallaan. Kosmologian paljastama kuva maailmankaikkeudesta on tyystin epäinhimillinen.”

---

Näkökulman muutoksia

23.12.2013 klo 00.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Seurasin Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen tähtitieteilijöiden kanssa torstaina 19.12. kun Gaia-satelliitti lähti Maapallolta kello 11.12 Suomen aikaa. Satelliittien laukaisussa on oma jännityksensä: jos hiukkaskiihdyttimen kanssa tulee paha ongelma, niin laitteen voi korjata kuntoon ja käynnistää uudelleen. (Näin kävikin LHC:lle vuonna 2008, kun yhdeksän päivää käynnistyksen jälkeen tapahtui vakava onnettomuus.) Mutta jos kantoraketti räjähtää tai satelliitin ohjaussuihkut eivät toimi, niin menetys on peruuttamaton. Gaian tapauksessa kaikki sujui suunnitelmien mukaisesti. Naapuriblogista voi lukea Gaia-tiimin johtaja Timo Prustin kokemuksista laukaisusta, ja Tiedetuubi kertoo aiheesta lisää.

Gaia on rakennettu tähtitieteen tarkoituksiin: se mittaa miljardi tähteä, eli noin prosentin kaikista Linnunradan tähdistä, sekä lukuisia asteroideja, Aurinkokunnan ulkopuolisia planeettoja ja muita lähitienoiden kappaleita. Gaialla on suuri merkitys tähtitieteelle, yksityiskohtia voi lukea Tähdet ja avaruus -lehden uusimmasta numerosta 7/2013.

Kosmologia kuitenkin tutkii maailmankaikkeutta kokonaisuutena, eikä lähiavaruuden kappaleiden paremmasta ymmärtämisestä yleensä ole siinä paljon hyötyä. Gaia on kuitenkin myös kosmologisesti mielenkiintoinen, koska se mittaa etäisten kohteiden parallaksia ennennäkemättömän tarkasti.

Parallaksi tarkoittaa sitä, että kohteiden sijainti näyttää erilaiselta, kun niitä tarkastellaan eri paikasta. ESAn sivuilla on asiasta havainnollinen selitys. Kun katsoo ojennetun käden pystyssä olevaa peukaloa ensin vasemmalla silmällä ja sitten oikealla, niin peukalo näyttää olevan eri kohdassa. Jos tietää silmien välisen etäisyyden, niin paikan muutoksesta voi laskea etäisyyden peukaloon: mitä isompi muutos, sitä pienempi etäisyys. Tarkkailemalla useiden näkyvissä olevien esineiden paikan muutosta pystyy selvittämään niiden kaikkien etäisyydet ja saa kolmiulotteisen kuvan ympäristöstä.

ESAn esimerkissä vasemmalla ja oikealla silmällä katsominen rinnastetaan mittausten tekemiseen Maapallolta sen ollessa Auringon vastakkaisilla puolilla. Tämä matka on 300 miljoonaa kilometriä, eli kosmologisesti katsottuna mitättömän pieni, noin sadasmiljardisosa etäisyydestä lähimpään galaksiin. Jos lähin galaksi olisi kymmenen metrin päässä, vastaava etäisyys olisi atomin levyinen. Gaia on niin tarkkanäköinen, että se pystyy erottamaan tätä vastaavan paikan muutoksen, mutta vain juuri ja juuri. (Voi itse asiassa olla, että tämä muutos on hieman liian pieni Gaialle.) Kosmologisiin etäisyyksiin on siis vaikea päästä. Kaksi seikkaa kuitenkin auttaa: Linnunradan liike muiden galaksien suhteen ja kaukana olevien kohteiden suuri määrä.

Ensinnäkin, Maapallo liikkuu Linnunradan mukana suhteessa kaukaisiin galakseihin 369 kilometriä sekunnissa. Tämä on mitattu nopeutemme suhteessa kosmiseen mikroaaltotaustaan. Koska galaksit ovat syntyneet kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyvistä epätasaisuuksista, ne ovat keskimäärin levossa kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, joten tämä on myös nopeutemme galaksien suhteen. Maapallo siis liikkuu kaukaisiin galakseihin nähden 12 miljardia kilometriä vuodessa, eli 78 kertaa Auringon ja Maapallon välin.

Toisekseen, Gaian odotetaan mittaavan puoli miljoonaa kvasaaria ja kolme miljoonaa galaksia kosmologisilla etäisyyksillä. Vaikka yhden kohteen parallaksi olisi pieni, niin kun tarkastellaan suurta määrää kohteita joiden paikka muuttuu samalla tavalla, saadaan kuva niiden yhteisestä paikan muutoksesta. (Gaia mittaa myös kohteiden punasiirtymän, joten tiedetään, mitkä kohteet ovat yhtä kaukana – kirjoitan punasiirtymästä joskus toiste!)

Näiden kahden asian takia Gaia saattaa pystyä mittaamaan parallakseja kohteista jotka ovat miljardien valovuosien päässä. Tämä on Gaian kykyjen äärirajoilla. Gaian kaavaillaan tekevän mittauksia viisi vuotta, ja kosmologinen data julkistetaan kokonaisuudessaan kolme vuotta mittausten loppumisen jälkeen, eli voi olla että vasta vuonna 2022 selviää, miten hyvin Gaia kosmologisissa mittauksissa onnistuu.

Mitä kosmisen parallaksin mittaamisella sitten saavutetaan? Kosmologisia etäisyysmittauksia on tehty 1920-luvulta asti, ja nykyään niitä on jo suoritettu tarkemmin kuin mihin Gaia kykenee. Juuri etäisyyksien tarkka selvittäminen vei vuonna 1998 siihen johtopäätökseen, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, mistä myönnettiin vuonna 2011 Nobelin palkinto. Nuo mittaukset kuitenkin perustuivat supernovien kirkkauteen: mitä himmeämpi kohde, sitä kauempana se on. Arkiskaalassa on aivan sama, mittaako kohteen etäisyyden kirkkaudesta, parallaksista tai vaikka näennäisestä koosta. Kosmologiassa tilanne on toinen.

Avaruus kehittyy merkittävästi valon matkatessa miljardeja vuosia, ja tämä vaikuttaa eri tavalla kirkkauteen ja parallaksiin. Niinpä vertaamalla kirkkautta ja parallaksia saadaan uusi näkökulma siihen, miten maailmankaikkeus kehittyy ja mikä saattaa olla kiihtyvän laajenemisen syynä. Pääasiallisen tutkimuskohteeni, rakenteiden vaikutuksen maailmankaikkeuden laajenemiseen, kannalta tämä on kiinnostavaa. Niinpä tutkailin parallaksia tämän vuoden viimeisessä tieteellisessä artikkelissani, joka tuli julki sopivasti Gaian taivaalle nousemisen jälkeisenä yönä. Tähän on hyvä päättää vuosi.

---

Hirvittäviä hyppäyksiä

16.12.2013 klo 02.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Huomasin YLEltä uutisen jonka mukaan ”Universumi voi romahtaa koska tahansa – tai sitten ei”. Jutun mukaan on mahdollista, että ”Muutos puristaisi kaiken aineen pieneksi supertiheäksi palloksi. Samalla maailmankaikkeus nykymuodossaan lakkaisi olemasta”. Tiedeuutisissa on tavallista törmätä artikkeleihin, joiden ihmeellisyydelle vetää vertoja vain niiden perättömyys, joten en ajatellut kirjoittaa aiheesta enempää. Kun kuitenkin tulin katsoneeksi asiaa tarkemmin, huomasin että taustalla onkin ihan mielenkiintoista tutkimusta.

YLE oli saanut jutun Tähdet ja avaruus –lehdestä, joka puolestaan oli poiminut sen sivustolta SpaceDaily.com. Kun aihe on vaikea eivätkä toimittajat ole käsittelemiensä asioiden asiantuntijoita, niin kertomus voisi helposti muuttua yhä uskomattomammaksi joka askeleella. Itse asiassa YLEn uutinen on kuitenkin kohtuullinen tiivistelmä SpaceDaily.comin artikkelista. Uutisen poskettomat väitteet ovat tosin kaukana siitä, missä itse tieteellisessä tutkimuksessa on kyse, mutta ne eivät ole SpaceDaily.comin toimittajan keksintöä. Kyseisen sivuston ”uutinen” on nimittäin sanatarkka kopio Eteläisen Tanskan yliopiston lehdistötiedotteesta.

Kuten olen aiemmin sanonut, toimittajia voi syyttää siitä, että he suhtautuvat tutkijoiden lehdistötiedotteisiin kritiikittömästi, mutta suurin osa paisuttelusta on yleensä tutkijoiden itsensä tekosia. (Esimerkkejä voi katsastaa Peter Woitin blogista Not Even Wrong.)

Tutkimus sinänsä on kiinnostava, se koskee Higgsin kenttää. Hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin kenttä täyttää koko avaruuden. Sitä voi verrata sähkökenttään, paitsi että sähkökentällä on voimakkuuden lisäksi suunta, Higgsin kentällä on vain voimakkuus. Higgsin kenttä on tällä hetkellä kaikkialla havaitussa maailmankaikkeudessa yhtä voimakas. Higgsin kentän voimakkuus ilmenee nykymaailmankaikkeudessa lähinnä siten, että tunnetut alkeishiukkaset saavat massansa vuorovaikuttamalla kentän kanssa. (Poikkeuksena Higgsin hiukkanen itse sekä mahdollisesti neutriinot, joiden massojen alkuperästä ei ole varmuutta.) Mitä voimakkaampi Higgsin kenttä on ja mitä vahvemmin hiukkanen vuorovaikuttaa sen kanssa, sitä suurempi hiukkasen massa on.

Varhaisessa maailmankaikkeudessa Higgsin kentän voimakkuus on ollut erilainen kuin nykyään, ja on mahdollista, että se muuttuu tulevaisuudessa. Kentän käytöksen määrää se, miten se vuorovaikuttaa itsensä ja muihin hiukkasiin liittyvien kenttien kanssa. Nämä vuorovaikutukset ovat niin monimutkaisia, että niitä ei pystytä laskemaan täysin tarkasti, teoriaa pitää aina yksinkertaistaa jotenkin. Oleg Antipinin ja muiden tutkimuksessa, joka on toiminut lehdistötiedotteen pohjana, esitetään uudenlainen tapa yksinkertaistaa vuorovaikutusten laskemista. Kysymys on siitä, mitä osia teoriasta otetaan mukaan ja mitä jätetään pois, ja Antipin ja kollegat esittävät hieman erilaista kirjanpitoa kuin mitä yleensä on käytetty.

Tutkijat soveltavat artikkelissaan uutta menetelmää sen laskemiseen, miten Higgsin kenttä käyttäytyy, kun sen voimakkuus on hyvin suuri. Nykypäivänä Higgsin kenttä näyttää olevan stabiili. Tämä tarkoittaa sitä, että jos kentän voimakkuus muuttuu vähän, niin se palaa takaisin vanhaan arvoonsa. Kenttä lepää rauhassa kuin kivi kaivon pohjalla. On mahdollista, että jos kenttä olisi hyvin voimakas, niin se ei olisi enää stabiili, vaan se voimakkuus rupeaisi kasvamaan rajatta. Toisaalta voi olla, että hyvin voimakas kenttä olisi vielä stabiilimpi kuin nykyinen. Kummassakin tapauksessa kenttä saattaa hypätä hirvittävän ison välin hyvin suurelle arvolle, kuin kivi kaivosta viereisen syvemmän kaivon pohjalle, tai pohjattomaan kuiluun. (Kun asian ilmaisee näin, niin se kuulostaa kummalliselta, mutta kvanttimekaniikassa tällaista tunneloitumista tosiaan tapahtuu – aiheesta kenties myöhemmin lisää.)

Mitä merkitystä tällä sitten on? Jos Higgsin kentän arvo kasvaisi rajatta, niin siihen liittyvästä energiatiheydestä tulisi hyvin negatiivinen, mikä johtaisi maailmankaikkeuden romahtamiseen. Toisekseen, jos Higgsin kenttä on vastuussa varhaisen maailmankaikkeuden inflaationa tunnetusta tapahtumasta, niin siihen liittyvä kentän voimakkuus on hyvin suuri, ja kentän käytös pitää tuntea tarkkaan. 

Higgsin kentän stabiilius riippuu sen massasta ja vuorovaikutuksesta itsensä ja muiden hiukkasten kanssa. Standardimallissa Higgsin kenttä on suurilla voimakkuuksilla niin lähellä stabiilin ja epästabiilin rajaa, että tämänhetkisen mittaustarkkuuden rajoissa ei voida sanoa, kummalla puolella se on. Laskuihin vaikuttavat tunnettujen hiukkasten lisäksi kaikki muut hiukkaset. Lienee olemassa ainakin pimeän aineen hiukkanen, ja luultavasti useita muitakin toistaiseksi tuntemattomia hiukkasia, joten pelkästään Standardimallin hiukkassisällöllä tehdyt laskut, kuten Antipinin ja kollegoiden tutkimus, eivät ole viimeinen sana. Artikkelin johtopäätös joka tapauksessa on se, että approksimaatiot Higgsin kentän käyttäytymisestä eivät vielä ole tarpeeksi tarkkoja, että voitaisiin päätellä, mitä tapahtuu kentän ollessa hyvin voimakas.

Miten tästä on hypätty yliopiston lehdistötiedotteeseen, jonka mukaan hiukkasista voi koska tahansa tulla paljon raskaampia, aine puristua supertiheäksi palloksi ja maailmankaikkeus lakata olemasta?

Jos Higgsin kenttä siirtyisi epästabiiliin tilaan, niin tämä saattaisi tosiaan johtaa maailmankaikkeuden romahtamiseen, kuten mainittua. Mutta tästä lehdistötiedotteessa ei vaikuta olevan kysymys, vaan siitä, että kentän voimakkuus hyppäisi stabiiliin tilaan. Tällöin naiivisti ajateltuna hiukkasten massat (ja siten myös energiat) kasvaisivat. Mutta laskuissa Higgsin kentän tilan muuttumisesta ei ole otettu huomioon tätä – laskun koko idea on se, että maailmankaikkeus siirtyy tilaan, jossa kokonaisenergia on sama tai alempi, ei isompi. Jos hiukkasten massojen kasvun ottaisi huomioon, energia kasvaisi. Toisin sanoen, lehdistötiedotteen kuvaama hyppy on mahdoton. Tutkimuksessa ei mitään tällaisia väitteitä ole, romahtamisesta tai muusta maailmanlopusta ei siinä puhuta sanallakaan.

Lehdistötiedotteessa on mainittu yhteyshenkilönä tutkimuksen tekemiseen osallistunut jatko-opiskelija Jens Krog. Hän on myös ainoa henkilö, jota on lehdistötiedotteessa ”haastateltu”. Ei ole selvää, mikä osa tekstistä on hänen käsialaansa ja mikä kenties yliopiston tiedottajien. Ei liene syytä laittaa liikaa painoarvoa sille, että kyseessä on jatko-opiskelija, koska yhtä harhaanjohtavia tekstejä tulee vanhempienkin tutkijoiden nimissä. Yleinen käytäntö sitä paitsi on, että ennen väitöskirjan valmistumista jatko-opiskelijoiden synnit kuuluvat ohjaajien kannettavaksi, ja lehdistötiedotteen sisällön pitäisi olla kaikkien hyväksymä.

Tässä tapauksessa lehdistötiedote oli harhaanjohtava ja virheellinen. Mutta silloinkin kun tiedote kuvaa tutkimuksen sisältöä oikein, on ongelmallista, että toimittajat päättelevät pelkästään tiedotteen lähettämisestä, että jotain merkittävää on tapahtunut. Tämä onkin luonnollista – jos kysymys olisi sellaisesta pienestä askeleesta joita otetaan kymmeniä päivittäin, niin miksi juuri tästä olisi kirjoitettu tiedote? Esimerkiksi muka valoa nopeammiksi neutriinoiksi luullun mittausvirheen tapauksessa asia olisi pitänyt selvittää tutkimusryhmän tai laajemman tiedeyhteisön sisällä eikä uutisoida koko maailmalle.

Olen itse kerran joutunut tällaiseen tilanteeseen. Väitöskirjaopiskelijani Mikko Lavinnon ja Jagellon yliopistossa Krakovassa työskentelevän Sebastian J. Szybkan kanssa kehitimme kosmologisen mallin, jossa on alueita, jotka ovat sisältä isompia kuin ulkoa, tutkiaksemme rakenteiden vaikutusta maailmankaikkeuden laajenemiseen. Nimesimme ne Tardis-alueiksi, Oxford English Dictionaryyn Dr Who –sarjasta päätyneen sanan mukaan; sana tarkoittaa jotakin jonka sisäinen koko on isompi kuin ulkoinen. Nimen takia tutkimus sai huomiota netissä. Yhtä juttua varten toimittaja haastatteli minua, ja siitä tulikin ihan asiallinen. Ajattelin, että matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan tiedottajaa saattaisi kiinnostaa asian saama huomio, joten laitoin hänelle viestin. Puolitoista tuntia myöhemmin sain yllätyksekseni sähköpostissa lehdistötiedotteen luonnoksen. Soitin tiedottajalle ja sanoin, että parempi olla laittamatta tiedotetta, koska vaikka artikkeli on mielestäni hyvä ja kiinnostava, tiedotteen lähettäminen antaa liiallisen vaikutelman tutkimuksen merkityksestä. (Tiedottaja suhtautui asiallisesti, mutta voin kuvitella hänen miettineen, millaisia hölmöjä jotkut tutkijat ovat: miksi ottaa yhteyttä tiedottajaan, jos ei kerran halua, että tämä tiedottaa?)

Päävastuu tutkimuksesta tiedottamisesta asianmukaisesti on tutkijoilla itsellään. Higgsin hiukkasen löytymisen asiallinen uutisointi osoittaa, että tiedotusvälineet pystyvät esittämään tieteelliset läpimurrot oikeassa viitekehyksessä ja merkitykset paikalleen pistäen, jos niille tarjotaan siihen vankka pohja. Mutta toimittajienkin tulisi tehdä osansa ja etenkin ihmeellisten löytöjen kohdalla lehdistötiedotteiden tai muiden lehtien artikkelien kopioimisen sijaan selvittää miten asian laita todella on.

---

Työn toinen puoli

30.11.2013 klo 19.33, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Usein kysytään, millaista tutkijan työ on. Olen kirjoittanut asiasta yleisesti ja tutkimuksen osalta, nyt kommentoin hieman opettamista. Palattuani kesällä 2010 ulkomailta Helsingin yliopistolle olen opettanut keväisin suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan perusteita aloitteleville opiskelijoille ja syksyisin kosmologiaa pidemmälle ehtineille. Johdantokurssien ja edistyneempien erikoiskurssien pitäminen eroaa toisistaan aika lailla. 

Modernin fysiikan kulmakivet ovat suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka. Ne ovat täynnä ihmeellisiä asioita, joilla on perustavanlaatuinen merkitys maailmankuvallemme, todellisuuden epämääräisyydestä ajan suhteellisuuteen ja maailmankaikkeuden laajenemiseen. Oppiminen kuitenkin alkaa pohjatietojen hankkimisesta klassista fysiikkaa läpi käymällä. Samalla pitää omaksua kokonainen työkalupakki matemaattisia menetelmiä, jotta voi ymmärtää sitä kieltä, jolla teoriat on ilmaistu. Menee vuosia ennen kuin voi päästä sisälle vaikkapa yleiseen suhteellisuusteoriaan, mikä voi tuntua lannistavalta.

Tämän takia Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella on kaksi kurssia, joiden tarkoituksena on esitellä suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan perusteita ja ilmiöitä pelkistetysti. Kurssit on suunnattu ensimmäisen vuoden fysiikan opiskelijoille, mutta niillä käy myös edistyneempiä muiden aineiden opiskelijoita. Yksinkertaisia esimerkkejä käydään läpi matemaattisesti, monia asioita kuvaillaan vain populaarilla tasolla. Näitä kursseja luennoidessani pääasiallinen tavoitteeni ei ole se, että opiskelijat oppisivat fysiikkaa, vaan että he saisivat käsityksen siitä, mitä kaikkea hienoa siinä onkaan ja olisivat motivoituneita jatkamaan opintoja.

En ole varma kuinka hyvin tämä on onnistunut. Puolipopulaarit esitykset ovat minusta kaikkein hankalin laji. Täysin populaareissa luennoissa voi maalata leveällä pensselillä, yksityiskohtaisissa kursseissa matematiikka muodostaa selkeän kehyksen, jossa asiat ovat paikoillaan. Puolipopulaarien kurssien kohdalla pitää tasapainoilla sen välillä, että on tarpeeksi matematiikkaa teorioiden rakenteen selvittämiseksi, mutta riittävästi kuvailua josta saa laajemman käsityksen asioista, joiden matematiikka on liian vaativaa tai veisi liian kauan selittää. Vaikeutta lisää se, että opintojen alkuvaiheessa opiskelijoilla on vielä opittavana fysikaalisen sisällön lisäksi myös se, miten matematiikkaa käytetään fysiikan ymmärtämiseen. Kun on oppinut yhtälöiden lukemisen ja kirjoittamisen taidon, se tuntuu itsestään selvältä, ja on vaikea ymmärtää miksi joku pitää sitä vaikeana tai pelkää yhtälöitä.

On turhauttavaa kun opetukseen ei voi paneutua täysipainoisesti, vaan sitä tekee huonommin kuin mihin kykenisi. Luennot voisi pitää selkeämmin ja olisi mahdollista kartoittaa tarkemmin mitkä asiat ovat kurssilaisten mielestä hankalia, mutta se veisi enemmän aikaa. Tutkijan työssä kun on aikakin kaksi puolta, opetus ja tutkimus – raha-anomukset, hallinto ja mahdollisesti popularisointi tulevat sitten vielä päälle. Monet tosin katsovat, että tutkimus on heidän varsinainen toimensa, ja opetus ja muut velvollisuudet ovat lähinnä häiriötekijöitä. Opetusta pidetään usein negatiivisena palkkana, jonka joutuu maksamaan saadakseen tehdä tutkimusta. Hiukkasfyysikko Sidney Colemanin kanta, jonka mukaan hän luopuisi mielellään puolesta palkastaan, jos hänen ei tarvitsisi opettaa, ei liene harvinainen. Colemanilla toisaalta on maine loistavana opettajana: sellaista arvostetaan, mutta se ei ole juuri kenenkään tavoite. Tutkijan intohimo on uusien asioiden tutkiminen, ei vanhojen opettaminen. Myös työpaikkojen hakijoita arvioidessa tutkimusansiot ovat oleellisin tekijä, opetus on toisella sijalla.

Esittelykurssien luennoimisesta on kyllä se ilo, että tulee ajatelleeksi laajempia kokonaisuuksia ja historiallista kehitystä. Kuten popularisoidessa, samalla hahmottaa miten suurenmoisia asioita maailmasta onkaan saatu selville. Lisäksi, toisin kuin täysin populaarien kurssien yhteydessä, oppii arvostamaan sitä, miten fysiikan ideoita voi välittää yksinkertaisella matematiikalla. 

Edistyneemmissä kursseissa on antoisaa se, että tulee käytyä yksityiskohtaisesti läpi sellaisiakin asioita, joita ei itse tutki. Opettaessa asiat pitää ymmärtää paljon tarkemmin kuin opiskellessa, ja kun on sisäistänyt tarpeellisen matematiikan kauan sitten, asiat tuntuvat helpoilta ja suoraviivaisilta, niin että joskus kummastelee, mikä niissä voi tuntua hankalalta. On virkistävää, ainakin ensimmäisillä luentokerroilla, nähdä miten jotkut opiskeluajoilta tutut asiat asettuvat osaksi nykyään laajemmin tuntemaa kokonaisuutta. Toisaalta kosmologiakurssiakin luennoin toinen käsi selän taakse sidottuna, koska suurin osa opiskelijoista ei ole opiskellut yleistä suhteellisuusteoriaa, joten kaikkea ei voi esittää niin suoraan ja selkeästi kuin mitä mieli tekisi.

Myöhäisemmän vaiheen kursseilla saa myös paremman kosketuksen opiskelijoihin, koska osallistujia on vähemmän: suhteellisuusteorian perusteiden kurssia käy 150 opiskelijaa, ensimmäistä kosmologian kurssia 20. Ero opiskelijoiden ja luennoitsijan näkökulman välillä on myös pienempi kuin opintojen alussa, mikä helpottaa kommunikointia. Ehkä kaikenlaisessa opettamisessa on kuitenkin piristävintä se, miten kiinnostuneita jotkut opiskelijat ovat fysiikasta.

---

Ei vielä valoa pimeyteen

26.11.2013 klo 21.40, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Huhtikuussa CDMS-niminen koeryhmä kertoi, että sen mittalaitteen kolmea atomia oli tönitty. Tämä saattoi johtua joko siitä, että pimeän aineen hiukkasia oli kulkenut sen läpi, tai sitten kyse oli taustakohinasta. Tiedotusvälineisiin juttu päätyi, koeryhmän erään jäsenen lehdistötiedotteen siivittämänä, siinä muodossa, että pimeä aine on havaittu 99.8% todennäköisyydellä. Väite oli harhaanjohtava: CDMS:n havainto oli kiinnostavan rajoilla, ei lähellä varmaa. Mutta oikeatkin havainnot usein alkavat pieninä vihjeinä, jotka varmentuvat uusien mittausten myötä. Jos CDMS:n tönäisyissä olisi kyse pimeästä aineesta, herkempien kokeiden pitäisi nähdä pimeä aine kirkkaasti.

Tarkempia havaintoja on nyt tehty: pimeää ainetta etsivä LUX-koeryhmä julkisti ensimmäiset tuloksensa lokakuun 30. päivä. LUX on lyhenne sanoista Large Underground Xenon, mikä viittaa siihen, että mittalaite on iso (250 kg – CDMS:än massa on vain 6 kg), sijaitsee puolentoista kilometrin syvyydessä hyvin eristettynä ja käyttää ksenonia havaintoaineenaan. Koejärjestely on samanlainen kuin CDMS:llä ja muilla pimeää ainetta suoraan etsivillä kokeilla: tarkkaillaan palaa ainetta (tässä tapauksessa säiliötä täynnä kaasua ja nestettä) ja odotetaan, töniikö pimeän aineen hiukkanen sen atomeja.

LUX ei nähnyt mitään merkkejä pimeästä aineesta: mittalaite havaitsi tönäisyjä sen verran, mitä taustakohinasta odottaakin, ei mitään ylimääräistä. (Jester ja Tomaso Dorigo kertovat asiasta tarkemmin.) LUX on isompi ja tarkempi kuin CDMS, joten jos CDMS:n havainnot olisivat olleet vihje pimeästä aineesta, LUX olisi nähnyt pimeän aineen selvästi – ainakin mikäli kyseessä olisi yksinkertaisin pimeän aineen kandidaatti.

Pimeästä aineesta ei tiedetä paljoa. Luultavasti se koostuu toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista, mutta on tusinoittain erilaisia malleja sille, millaisia nämä hiukkaset ovat. Eräs suosituimpia ehdokkaita on tavallisten hiukkasten, kuten fotonin, raskaammat supersymmetriset puolisot. Jos CDMS:n tönäisyt johtuisivat tällaisista hiukkasista, LUX olisi nuo hiukkaset löytänyt. Vaikka LUX ei anna kuoliniskua yksinkertaisimmille supersymmetriaan liittyville pimeän aineen malleille, se kuitenkin entisestään heikentää niiden uskottavuutta. Tämä sopii hyvin yhteen sen kanssa, että LHC-kiihdytin ei myöskään ole nähnyt merkkiäkään supersymmetriasta.

Mutta on muitakin pimeän aineen ehdokkaita, ja on mahdollista kehitellä kaikenlaisia selityksiä sille, miksi CDMS olisi nähnyt pimeää ainetta, mutta LUX ei. Yksi ehdotus on ksenofobinen pimeä aine, joka vuorovaikuttaa LUXissa käytettävän ksenonin kanssa heikommin kuin CDMS:ssä käytettävän piin ja germaniumin. Samalla voi yrittää selittää vielä sen, miksi koe nimeltä DAMA väittää havainneensa pimeää ainetta jo monta vuotta, mutta muut ryhmät eivät ole pystyneet toistamaan tulosta.

Oppikirjoista jälkikäteen lukiessa tieteen edistyminen vaikuttaa väistämättömän selvältä. Arvoitusta ratkaistessa on kuitenkin paljon vääriä johtolankoja, eikä ole ilmeistä mihin suuntaan pitäisi kulkea. Jos uskoo sekä LUXin että DAMAn havaintojen pitävän paikkansa, voi sanoa että on saatu selville jotain hyvin odottamatonta ja merkittävää pimeän aineen hiukkasen ominaisuuksista:  se reagoi eri tavalla eri atomiydinten kanssa. Toisaalta voi arvioida, että koska kokeiden yhteensovittaminen vaatisi jotain hyvin odottamatonta, on luultavampaa, että DAMAn analyysissä on jokin merkittävä virhe, eikä sen enempää DAMA kuin CDMS ole nähnyt pimeää ainetta.

LUXin julkaisemat tulokset perustuvat ensimmäisen kolmen kuukauden havaintoihin. Vuosina 2014 ja 2015 on tarkoitus kerätä 10 kuukautta lisää dataa. On myös odotettavissa, että mittalaitteiden toiminta ymmärretään paremmin ja data-analyysi tarkentuu, joten LUXin rajat pimeän aineen ominaisuuksille tiukentuvat. On mahdollista, että pimeä aine vuorovaikuttaa juuri sen verran heikosti, että LUX ei nähnyt sitä kolmessa kuukaudessa, mutta se jää haaviin kun kuukausia saadaan kymmenen lisää. Ei kuitenkaan ole mitään erityistä syytä odottaa, että näin olisi. Mutta negatiivisetkin tulokset -sen osoittaminen, että jokin malli ei pidä paikkaansa- ovat tieteellisesti arvokkaita. 

Pikku-uutinen. Neljä ja puoli vuotta uskollisesti palvellut Planck-satelliitti on saatettu viimeiseen lepoon. Planck otti vastaan viimeisen käskynsä ja sammui ikiajoiksi lokakuun 23. päivä. Osa Planckin kosmologisista havainnoista julkistettiin maaliskuussa, mutta paljon keskeistä dataa on vielä analysoimatta, ja niiden julkaisua vuonna 2014 odotetaan innolla. Seuraavat kosmologisesti kiinnostavat eurooppalaiset satelliitit ovat vuonna 2020 kiertoradalle kapuava Euclid ja ensi kuussa, joulukuun 20. päivä, matkaan lähtevä Gaia. Kirjoitan molemmista myöhemmin lisää, Gaiasta toivon mukaan ennen sen maastamuuttoa. Gaiasta on muuten mainio juttu Tähdet ja avaruus -lehden uusimmassa numerossa, 7/2013. 

---

Kuvitettu legenda

31.10.2013 klo 23.04, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luin hiljattain Jim Ottavianin kirjoittaman ja Leland Myrickin kuvittaman sarjakuvan Feynman. Jos fyysikoista Albert Einstein onkin tunnetuin, niin Richard Feynman lienee heistä ihailluin. Feynman oli toisen maailmansodan jälkeisen ajan merkittävimpiä fyysikoita, ja hänellä oli keskeinen rooli kvanttikenttäteorian muotoilussa. Kvanttikenttäteoria on (toistaiseksi) perustavanlaatuisin teoria aineen käyttäytymisestä ja yleisen suhteellisuusteorian ohella toinen teoreettisen fysiikan kulmakivi, joten tämä ei ole mikään vähäinen saavutus. Mutta toisin kuin taiteilijoista, tieteilijöistä harvoin tulee yleisesti tunnettuja vain ammatillisten saavutusten takia: Feynmanin kanssanobelisteja Sin-Itiro Tomonagaa ja Julian Schwingeriä ei juuri fyysikkopiirien ulkopuolella muistella.

Feynman on noussut tietoisuuteen suurelle yleisölle suunnatuilla fysiikan laeista kertovilla seikkaperäisillä kirjoillaan ja hauskoilla omaelämänkerrallisilla tarinakokoelmillaan Laskette varmaankin leikkiä, Mr. Feynman! ja Mitä siitä, mitä muut ajattelevat?. Siinä missä Einsteinia pidetään nerokkaan etäisenä, Feynman päästi kirjoissaan lukijat lähelle, ja rakensi itsestään kuvan mutkattomana tyyppinä, joka myös sattuu olemaan säkenöivän älykäs fyysikko. 

Feynman oli sujuva juttumies, ja hänen julkinen kuvansa rakentuu paljon hänen omien tarinoidensa pohjalle. Tämä näkyy Ottavianin ja Myrinckin sarjakuvassa, Feynmanin kirjoja lukenut tunnistaa suuren osan kohtauksista. Mutta koska kertomukset ovat niin viihdyttäviä, tämä ei ole tylsää, ennemminkin tulee sellainen olo, että kuuluu sisäpiiriin, kun tietää miten tuttu tarina kulkee. Toisaalta häiritsee se, että Feynmanin harkittu kerronta ja taidokas ajoitus on ajoittain hukattu: tuntuu että vitsin olisi voinut kertoa paremminkin. Joskus kuvitus on suoranaisesti hakoteillä. Esimerkiksi Feynmanin selitys siitä, miten hän lopetti alkoholin juomisen varjellakseen itseään huomattuaan Brasiliassa halunneensa alkoholia ilman mitään sosiaalista syytä on kuvitettu siten, että Feynman seuraa kaunista naista baariin ja tiskille. Yhtälöiden ja fysiikan kaavioiden kanssakin ollaan välillä pielessä: Feynmanin pohdintaa kvanttielektrodynamiikan (QED) selittämisestä on kuvitettu liitutaululla, jossa on aivan eri teorian, kvanttiväridynamiikan, diagrammeja.

Mutta enimmäkseen kerronta ja kuvitus toimivat hyvin, tunnelma on kuin ystävää muistellessa, ja Feynmanin kuolema on kuvattu erityisen koskettavasti. Tekstiä on paljon, mutta ajatus pysyy liikkeessä. Ainoa minusta tylsä osuus oli se, jossa käydään läpi Feynmanin suurelle yleisölle suunnattua selitystä QED:stä. QED:n sisällön seuraaminen vaatisi enemmän paneutumista kuin Feynmanin kommelluksista lukeminen, ja kun sarjakuvassa on luonnollisesti vain pala kokonaisuutta, ainakaan minä en saanut siitä paljon irti.

Feynman on kiehtova hahmo värikkään persoonansa ja auktoriteetteja kumartamattoman luonteensa takia, ja Feynman -tai ennemmin Feynmanin legenda- on monen fyysikon ihanne. Feynmanin omakuvaan kuuluu myös riippumattomuus ja irrallisuuden illuusio, ikään kuin kaikkia aloja voisi arvioida fyysikon perustuntemuksen kautta, eikä koskaan tarvitsisi välittää tekojen tai tekemättä jättämisen seurauksista. Kuten Feynmanin omassa kerronnassa, ei sarjakuvassakaan juuri ole vastuun sävyjä, edes joukkotuhoaseiden kehittämiseen liittyen.

Oikeastaan kirjassa ei ole mitään kriittisiä huomioita Feynmanista. Esimerkiksi vuoden 1948 konferenssi, jossa Feynman ja Schwinger esittelivät muotoilunsa QED:lle on esitetty Feynmanin silmien kautta siten että pääasiallinen vaikutelma on se, että Niels Bohr ei vain ymmärtänyt Feynmanin ajatusten syvällisyyttä. Frank Close kertoo hiukkasfysiikan Standardimallin historiaa käsittelevässä kirjassaan The Infinity Puzzle tapauksen siten, että Feynman ei vakuuttanut kuulijoitaan, koska hänen perustelunsa kiersivät kehää ja teoria oli puolivalmis, mikä tekisi tarinasta sekä monimutkaisemman että inhimillisemmän.

Kirjasta on myös jätetty pois joitain Feynmanin omia kertomuksia, jotka toisivat tummia sävyjä hänen henkilökuvaansa. Mukana on kohtaus, joissa Feynman puolustaa tyttöjen fysiikan opiskelua, mutta pois on jäänyt juttu, jossa Feynman painosti naisen harrastamaan seksiä kanssaan sanomalle, että tämä on ”pahempi kuin huora” jos kieltäytyy, koska Feynman oli ostanut hänelle voileivän. Myöskään muiden henkilöiden vähemmän imartelevia muisteloita Feynmanin suhtautumisesta naisiin ei kirjassa ole.

Kirjaa on kehuttu elämänkertana, mutta sellaiseksi se on auttamattoman yksipuolinen. Sarjakuvia ilmaisumuotona väheksytään aiheetta, mutta sillä on kääntöpuolensa: poikkeuksellisen hyvä tai erikoisesta aiheesta tehty sarjakuva voi saada anteeksi sellaista, mihin kuvattomassa kirjassa suhtauduttaisiin huolellisemmin. Tekijät kertovat lukeneensa kasoittain Feynmanista kertovia kirjoja, mutta kaikki on suodatettu Feynmanin itsensä kautta. Edellinen lukemani tieteilijän elämänkerta oli Jürgen Neffen Einstein: A biography, ja sen kriittisestä analyysistä on pitkä matka Ottavianin ja Myrickin ihailevaan esittelyyn. Mutta yhtä hyvin voisi kritisoida Neffen kirjaa siitä, että se ei ole hauska tai inspiroiva, eikä synnytä läheisyyden tunnetta. Ennemmin kuin historiankirjoitusta, Feynman-sarjakuva on ihailijoiden lämpimässä hengessä tekemä kunnianosoitus, Feynmanin tarinoiden uskollinen kuvitus. Sellaisena on se perin onnistunut.

---

Massojen mekanismista

8.10.2013 klo 23.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vuoden 2013 Nobelin fysiikan palkinto on tänään myönnetty François Englertille ja Peter Higgsille. Nobel-komitean yhden virkkeen perustelu on huolellisen kimurainen: palkinto on myönnetty ”atomia pienempien hiukkasten massan alkuperän ymmärrystä lisäävän mekanismin teoreettisesta löytämisestä, joka hiljattain varmistettiin sen ennustaman alkeishiukkasen löytämisellä ATLAS- ja CMS-kokeiden toimesta CERNin Large Hadron Collider -kiihdyttimessä”.

Vaikka perustelussa mainitaan Higgsin hiukkanen, keskeiseksi on asetettu mekanismi jolla alkeishiukkaset saavat massansa, vuorovaikuttamalla avaruuden täyttävän Higgsin kentän kanssa. Higgsin kenttä ja siihen liittyvä hiukkanen ovat kiinteä osa hiukkasfysiikan Standardimallia. LHC:n käynnistyessä voitiin taata, että löytyy joko Higgsin hiukkanen tai poikkeamia Standardimallista tai molempia, ja Higgsin löytymistä pidettiin erittäin luultavana. Niinpä jo ennen kuin ATLAS ja CMS ilmoittivat uudesta hiukkasesta heinäkuussa 2012 (joka maaliskuussa 2013 julistettiin virallisesti Higgsin hiukkaseksi), käytiin painokkaita keskusteluita siitä, kenen pitäisi saada Nobelin palkinto. Palkinnonsaajien julkistamista seurattiinkin CERNissä innolla (kollegani Tommaso Dorigo livebloggasi seremonian katsomista CERNistä).

Nobel-komitean sääntöjen mukaan palkinto voidaan myöntää korkeintaan kolmelle henkilölle, mutta Higgsin mekanismin teoreettiseen löytämiseen on merkittävissä määrin osallistunut ainakin seitsemän ihmistä. Englertin kanssa yhteistyötä tehnyt Robert Brout kuoli vuonna 2011: jos Brout olisi elänyt kaksi ja puoli vuotta pidempään, hänkin olisi ollut palkittujen joukossa. Lisäksi Gerald Guralnik, Tom Kibble and Carl Hagen kirjoittivat yhden merkittävän julkaisun nykyään Higgsin mukaan nimetystä mekanismista ja Philip Anderson oli ensimmäisenä kehittänyt samanlaisen mekanismin, eri olosuhteisiin sovellettuna.

Matt Strasslerilla on selkeä katsaus Higgsin mekanismin löytämisen käänteisiin, ja yksityiskohdista kiinnostuneille suosittelen Frank Closen mainiota kirjaa ”The Infinity Puzzle”. Strasslerin kirjoituksessa on hyviä oivalluksia, esimerkiksi hän korostaa sitä, että kaikki seitsemän tutkijaa pyrkivät ratkaisemaan muita ongelmia kuin sitä, mihin Higgsin mekanismia Standardimallissa lopulta käytettiin. Lisäksi Higgsin hiukkasta pidettiin niin epäoleellisena, että ainoastaan Peter Higgs mainitsi asiasta, ja hänkin vain jälkikäteen täydentääkseen artikkeliaan, jotta se kelpaisi julkaistavaksi. Nyt Higgsin hiukkasta pidetään tärkeänä erityisesti siksi, että muut osat Higgsin mekanismista oikeastaan tulivat todistetuksi jo 1983, kun heikkoa vuorovaikutusta välittävät massiiviset W– ja Z-bosonit löydettiin, mistä myönnettiinkin Nobelin palkinto seuraavana vuonna. Higgsin hiukkanen oli pitkään ainoa kateissa oleva osa.

Mielivaltaisesta kolmen henkilön rajasta johtuva keskustelu siitä, kuka Nobelin palkinnon ansaitsisi, vie kenties ajatuksia väärille raiteille. Kaikkien osallistuneiden tutkimus on arvostettua, eivätkä heidän ansionsa riipu Tukholmassa istuvan komitean päätöksistä. On myös tärkeää huomata, kuten Peter Woit ja Jon Butterworth korostavat, että tieteessä ei ole kyse vain yksittäisten tieteilijöiden tekemistä läpimurroista. Usein ideoita kehittelevät monet tutkimusyhteisön jäsenet, joista kukin saa palasen oikein. Nyt palkittujen sen enempää kuin palkintoa vaille jääneiden tavoitteena ei ollut alkeishiukkasten massojen selittäminen, ja Higgsin kentän ottaminen osaksi Standardimallia on muiden käsialaa. Higgsin mekanismin tapauksessa teoreetikkojen joukosta on vielä mahdollista nostaa esiin kymmenenkunta henkilöä, mutta jos esimerkiksi supersymmetria löydetään, muutaman teoreetikon poimiminen satojen tai tuhansien asiaa tutkineiden joukosta olisi keinotekoista ja antaisi virheellisen kuvan teorian kehittämisestä.

Lisäksi, kuten Woit ja Butterworth kirjoittavat, Higgsin löytäminen on ennen kaikkea kokeellisen fysiikan menestystarina. LHC on ihmiskunnan mittavin tieteellinen koe, ja Higgsin löysivät yhdessä koordinoidusti ja huolella toimineet tuhannet ihmiset, jotka selvittivät tarkkaan aineen käyttäytymistä arkielämää miljardi miljardia kertaa pienemmässä mittakaavassa. Englert ja Higgs ovat palkinnon ansainneet, mutta ilman ATLAS- ja CMS-ryhmiä sekä LHC:n toiminnasta vastaavaa ryhmää ei Standardimallin viimeinen pala olisi paikallaan. Toivottavasti Nobelin palkinto voidaankin jatkossa myöntää kokonaisille tutkimusryhmille.

Hiukkasfysiikan Standardimalli on kerännyt vuosien varrella runsaasti Nobeleita. Nyt kaikki Standardimalliin liittyvä on löydetty, ja nämä lienevät viimeiset Tukholman kutsut jotka sen tiimoilta lähetetään. Yksi aikakausi hiukkasfysiikan historiassa päättyy kun mitalit myönnetään joulukuun 10. päivä. Jatkossa hiukkasfysiikassa on päästävä tuntemattomalle mantereelle, Standardimallin tuolle puolen.