Taas fysiikkaa runoilijoille ja kosmologiaa

4.9.2023 klo 17.14, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pidän jälleen 1.-15.11. Ursan verkkokurssin kosmologiasta, sinne voi ilmoittautua täällä. Paikkoja on rajoitetusti. Kurssia kuvataan näin: ”Verkkokurssi tarjoaa napakan katsauksen moderniin kosmologiaan, sen oleellisimpiin teorioihin sekä hieman myös kosmologian historiaan.”

Luennoin taas kurssin Fysiikkaa runoilijoille Helsingin yliopistossa, tällä kertaa loppuvuodesta, 31.10.-12.12.. Luennot ovat maanantaisin ja tiistaisin kello 12.15-14.00. Kirjoitin kurssista aikoinaan hieman täällä.

Kurssin voi suorittaa sekä osana yliopisto-opintoja että Avoimessa yliopistossa. Kummassakin tapauksessa pitää ilmoittautua Sisu-järjestelmässä. Voi myös vain tulla paikalle kuuntelemaan ja kysymään ilmoittautumatta ja suorittamatta – mukana on joka vuosi ollut kiinnostuneita osallistujia, jotka eivät ole yliopistolla.

Kurssin kuvaus kotisivuilla on seuraava:

”Kurssilla avataan fysiikan käsitteitä ja maailmankuvallista merkitystä. Käsittelytapa on kvalitatiivinen ja keskusteleva. Aiheina ovat Newtonin klassinen mekaniikka, suppea suhteellisuusteoria, yleinen suhteellisuusteoria, kvanttimekaniikka, kvanttikenttäteoria ja hiukkasfysiikka, kosmologia sekä yritykset kohti kaiken teoriaa. Tämä ei ole tieteen historian eikä filosofian kurssi, vaikka niitä käsitelläänkin, vaan fyysikon kuvaus fysiikan teorioiden kehityksestä ja sisällöstä.

Kurssi on suunnattu heille, jotka eivät ole fysiikan opiskelijoita. Kurssi saattaa kuitenkin olla kiinnostava myös etenkin aloitteleville fysiikan opiskelijoille. Kurssi ei edellytä esitietoja fysiikasta eikä sisällä laskemista.”

Kurssin suorittaneet opiskelijat ovat pitäneet siitä kovasti. Alla muutama ote palautteesta,  kotisivuilla on lisää kommentteja kurssista:

Kurssi oli todella antoisa, kiitos! Tällaisia tieteenalojen välisiä kädenojennuksia kaivattaisiin enemmän. Tuntuu, että noin yleisesti ottaen fysiikasta kiinnostunut humanisti voi joko tyytyä populaarikirjallisuuteen tarjoamaan pintaraapaisuun tai vaihtoehtoisesti aloittaa fysiikan opiskelun aivan a:sta; välimuotoa on vaikea löytää. Tämä kurssi täytti tämän puutteen erinomaisesti.

• Kurssilta sai aimo annoksen jäsennettyä, johdonmukaista tietoa modernista fysiikasta kaikkineen ja sen tämän hetkisestä tilasta. ERITTÄIN TYYTYVÄINEN tähän antiin. Mielestäni tälle kohderyhmälle mahtava kokonaisuus, ainakin näin itse koin.

• Olen todella iloinen, että tulin kurssille. Kurssilla ei tuntunut, että olisi ollut painetta ymmärtää kaikki, vaan sai rauhassa pohdiskella asioita. Kurssi oli tehokas maailmankuvan muokkaaja, ja ainakin itselläni monet annettuina ottamani käsitykset lensivät romukoppaan. Tämä oli yksi yliopiston parhaista kursseista ja toivon todella että se luennoidaan joskus uudestaan!

Yksi kommentti “Taas fysiikkaa runoilijoille ja kosmologiaa”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”…mukana on joka vuosi ollut kiinnostuneita osallistujia, jotka eivät ole yliopistolla.”

    Oulun yliopisto meni astetta pidemmälle sallimalla Aapo Heikkilän ortotopologian luennot tiloissaan! Nekin olivat hyvin suosittuja!

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Sydämen asioita

29.8.2023 klo 13.36, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Fysiikka on yksi päähenkilöistä Christopher Nolanin ohjaamassa ja osin kirjoittamassa elokuvassa Oppenheimer.

Elokuva seuraa yhdysvaltalaisen teoreettisen fyysikon Robert Oppenheimerin matkaa ydinaseita valmistaneen Manhattan-projektin johtoon ja sieltä tunnontuskiin ja poliittisesti epäilyksenalaiseksi. Samalla kun elokuva kytkee fyysikot tiukasti raadolliseen politiikkaan, se vaalii romanttista ja kenties mystistä kuvaa fysiikasta.

Nolanin aiemmat elokuvat Interstellar ja Tenet jo liikkuivat fysiikan alueella. Hänen tavaramerkikseen muodostunut kuva- ja äänivyörytys on mukana Oppenheimerissakin, mutta myös ihmisten suhteilla ja sosiaalisella ympäristöllä on tärkeä rooli. Elokuva onkin kiinnostava juuri siksi, että se liittyy todellisiin tapahtumiin ja yrittää käsitellä oikeita moraalisia kysymyksiä.

Tehosteet, tahditus, lavastus, puvustus ja kuvaus loistavat, mutta henkilöt eivät ole Nolanin vahvuus. Elokuvaan on poimittu 1900-luvun keskeisiä fysiikan ja matematiikan hahmoja. Monet -kuten Niels Bohr, Ernest Lawrence ja Edward Teller– liittyvät kiinteästi Oppenheimerin tarinaan, mutta toiset kuten Kurt Gödel ja Richard Feynman tuntuvat heitetyn mukaan lähinnä harrastajien bongattaviksi.

Jotkut hahmot eivät tunnu esikuviltaan. Oppenheimerin Albert Einstein on ennemmin tietäjä legendoista kuin ihminen historiasta. On hauska katsoa, kun Kenneth Branagh esittää tyypillisillä maneereillaan Niels Bohria, mutta hänen nopeasanainen olemuksensa on kaukana historiallisesta Bohrista, joka puhui kuin haparoisi kohti totuutta.

Fysiikkaa tuodaan elokuvassa esille fyysikkojen keskustelujen ja luentojen kautta. Ne vaihtelevat puisevan ja koomisen välillä, eikä niillä ole juuri mitään tekemistä sen kanssa, miten fyysikot todellisuudessa kommunikoivat.

Fysiikan sydämessä on täsmällisyyteen yhdistyvä leikillisyys ja luomistyö. Elokuvassa tämä ei välity, sen sijaan tarjolla on pop-filosofiaa ja iskulauseita. Vaikutelma on sama kuin yritettäisiin välittää teatterintekemistä laittamalla hahmot viljelemään sitaattia ”ollako vai eikö olla” tai historiantutkimusta pistämällä tutkijat esittelemään löytöä, että kaikki tiet vievät Roomaan.

Viihdespektaakkeleissa pitää toki virtaviivaistaa viestintää. Erityisesti se on tarpeen kun käsittelyssä on niin erikoistunut ja abstrakteja asioita tutkiva ryhmä kuin fyysikot tai matemaatikot. Tämän voi kuitenkin tehdä tavalla, joka syventää henkilöitä, edistää juonta, ja on uskollinen sille, miten tiedettä tehdään. Esimerkkeinä voi mainita Gus van Santin Hollywood-sadun Good Will Hunting ja Matt Brownin sympaattisen Srinivasa Ramanujan-elämänkerran The Man Who Knew Infinity.

Intohimo fysiikkaan tulee kyllä ilmi. Elokuvassa Oppenheimer kertoo että hänellä on kaksi rakkautta, Los Alamos ja fysiikka, ja suhde fysiikkaan piirtyy polttavampana sydämen asiana kuin romanttiset suhteet ihmisiin.

Elokuvan alkupuolella havainnollistetaan Oppenheimerin oivalluksia maailmankaikkeuden salaisuuksista lähes mystisellä tavalla. Fysiikassa todella saa oivalluksia todellisuuden rakenteesta ja uudenlaisia kauneuden kokemuksia, mutta ne tulevat yksityiskohtaisen matemaattisen tekemisen kautta.

Elokuvassa Bohr sanoo Oppenheimerille, että kuten musiikissa, fysiikassa ei ole tärkeää osaako lukea nuotteja vaan se, pystyykö kuulemaan musiikin. Tämä pitää paikkansa sikäli, että kyse ei ole vain laskemisesta, pitää myös ymmärtää teorioiden ja ideoiden kokonaisuuksia, ja intuitio on tärkeä työkalu. Elokuvassa kommentti on kuitenkin omiaan vahvistamaan käsitystä fysiikasta valaistuksenomaisiin neronleimauksiin perustuvana mietiskelynä, vaikka sen kuvaus Manhattan-projektista onkin kaikkea muuta.

Vertaus musiikkiin on kyllä osuva. Se vahvistaa sitä, miten Oppenheimerin Yhdysvaltoihin tuoma moderni fysiikka samaistetaan elokuvassa Pablo Picasson moderniin kuvataiteeseen ja Igor Stravinskyn oopperaan Kevätuhri. Olen itsekin viitannut molempiin yrittäessäni selittää fysiikassa tarvittavaa oudon tuntuista uutta kieltä.

Fysiikan tutkimus on johtanut tuloksiin maailmasta, joita voi olla vaikea hyväksyä, koska ne ovat ristiriidassa arkiajattelumme kanssa. Elokuvassa tämä kytketään siihen, että luonnontieteiden teknologisia sovelluksia käytetään tavoilla, joita ei voi moraalisesti hyväksyä.

Eettisesti on eroa sillä, onko kyseessä perustutkimus, jonka seurauksia ei voi ennakoida, vai suora väkivallan välineiden rakentaminen. Esimerkiksi vuonna 2014 tulleessa näytelmässä Einsteinin rikos sovitettiin Einsteinin harteille turhaa syyllisyyden viittaa ydinpommeista hänen työnsä takia, vaikka Einsteinin tutkimus oli niistä kaukana. (Einstein kyllä kehotti Yhdysvaltojen presidentti Franklin D. Rooseveltia kehittämään ydinpommeja.)

Oppenheimer sen sijaan tietoisesti johti hanketta, missä kehitettiin aseita, joilla tapettiin yli satatuhatta ihmistä ja jotka ovat asettaneet koko sivilisaatiomme uhanalaiseksi. Moraalisiin kysymyksiin ja syyllisyydentuntoon käytetään elokuvassa paljon aikaa, ja Nolan on saanut niistä joitakin hienoja kohtauksia. On mieleenpainuvaa, miten Los Alamosin väki juopuu riemusta kuultuaan Hiroshiman tuhoamisesta.

Käsikirjoitus ei kuitenkaan saa etiikasta selvää otetta, ja keskittyminen Oppenheimerin turvallisuusluokituksen poistamiseen sodan jälkeen suurena vääryytenä tuntuu riittämättömältä joukkotuhon äärellä. Oppenheimeria esittävä Cillian Murphy pelastaa paljon, hän tuo hahmoon syvyyttä ja herkkyyttä, jota dialogista ei löydy.

Moraalinen pohdinta myös näyttäytyy oudossa valossa, koska elokuvassa esitetään ydinpommien pudottamisen syistä vain Yhdysvaltojen viranomaisten propagandaversio. Sen mukaan Hiroshiman ja Nagasakin tuhoaminen oli välttämätöntä Japanin saamiseksi antautumaan ja niin tehtiin yhdysvaltalaisten ja japanilaisten ihmishenkien pelastamiseksi. Tutkimus on osoittanut, että kumpikaan ei pidä paikkaansa.

Sodankäyntiin liittyvä välttämättömän pahan ongelma on tärkeä moraalinen kysymys. Mutta usein sitä käytetään peittämään sotaan liittyvää moraalista rappiota, jonka takia tehdään hirvittäviä asioita jotka ovat sotilaallisesti tarpeettomia.

Tieteilijät osallistuivat teolliseen joukkotuhoon jo ensimmäisen maailmansodan aikana, kun Fritz Haber ja muut tunnetut kemistit kehittivät myrkkykaasuja ihmisten tappamiseksi. Tätä arvosteltiin vahvasti. Vaikka Manhattan-projektiakin on kritisoitu paljon, siihen osallistuneita tutkijoita on harvemmin pidetty henkilökohtaisesti vastuullisina.

Elokuvassa käydään läpi, miten Saksan antauduttua jotkut Manhattan-projektin osallistujat vastustivat pommin käyttämistä. Kertoo paljon ammattimaisesta ajattelusta, että kuitenkin vain yksi tutkija, Joseph Rotblat, lähti projektista tajuttuaan, että hänen työnsä oli moraalisesti väärin. Rotblat (jota minulla oli kunnia kuunnella 2000-luvun alussa Oxfordissa) perusti fyysikoiden ydinaseiden vastaisen Pugwash-verkoston, ja sai vuonna 1995 yhdessä sen kanssa Nobelin rauhanpalkinnon.

Oppenheimer ei koskaan osallistunut Pugwashin toimintaan. Hän ei myöskään allekirjoittanut Einsteinin ja Bertrand Russellin manifestia ydinaseita ja sotaa vastaan.

Niin Yhdysvalloissa kuin Neuvostoliitossa työ ydinaseiden parissa määritti toisen maailmansodan aikaista fyysikkojen sukupolvea. Se syvensi tutkijoiden ja armeijan yhteistyötä, ja normalisoi joukkotuhoaseita hyväksyttävänä tai jopa toivottavana ja suojaavana osana yhteiskuntaa.

Yhdysvalloissa yksi johdannainen on Jason-ryhmä, jossa tutkijat auttavat Yhdysvaltojen armeijaa. Ryhmässä on valjastettu muidenkin kuin fyysikoiden asiantuntemus sodan palvelukseen. Vietnamin sodan aikaan ryhmän jäsen Murray Gell-Man (joka tunnetaan kvarkkien ymmärtämisestä) esimerkiksi esitti, että sosiologeja pitäisi saada mukaan tutkimaan, mitä vaikutusta on sillä, jos useammalta vietnamilaiselta leikataan korvat irti.

Toisaalta fyysikoiden saama kokemus isojen projektien vetämisestä ja vuorovaikutuksesta poliittisten päättäjien kanssa vaikutti suurten rauhanomaisten kokeellisten projektien ja tutkimuslaitosten perustamiseen. Yksi esimerkki on CERN, jonka peruskirjassa kielletään sotilaallinen työ ja sitoudutaan julkaisemaan kaikki tulokset, vastakohtana armeijojen salailulle, mikä tulee Oppenheimer-elokuvassa vahvasti esille. Tämä heijastaa kulttuurin eriytymistä tutkimuksen kehittyessä ja fyysikoiden määrän kasvaessa. Nykyään armeijojen tutkijat ja avointa yhteiskuntaa edustavat tutkijat ovat ammatillisesti erillään.

Samalla kun tiede ja teknologia ovat vieneet sivilisaatiomme itsemurhan partaalle, ne ovat tehneet mahdolliseksi maailman, jossa jokainen voisi elää ihmisarvoista elämää. Oppenheimer on poissa, mutta fysiikka on yhä yksi tämän sydäntä pakahduttavan tarinan päähenkilöistä.

6 kommenttia “Sydämen asioita”

  1. maanmittari sanoo:

    Kävin katsomassa sunnuntaina ja vastaavia ajatuksia tuli minullekin. Ihmettelin myös Feynmanin roolittomuutta (en kyllä tiedä miten tärkeä hlö hn oli tuolloin ja manhattan-projektssa, myöhemmät saavutukset ovatkin sitten tärkeitä). No, kun bongorummut 1. kerran kuuluivat kapakassa aattelin, että Riku tulisi mukaan sivuhenkilönä. Jos yhtään muistan sitä Oppenheimerin tv-elokuva?, vai oliko doku, niin se tuntui ainakin silloin 80-luvun alussa (ja sen aikaisilla vajavaisilla tiedoillani fysikasta, ei ne vieläkään kovin syvälliset ole) paremmalta kuin tämä viihdepläjäys. Kyllä tämän katsoi, ei siinä mitään, mutta odotukset oli korkeammalla. Muistanko nyt väärin, että leffassa olisi kerrottu mitä Nils ja Werner juttelivat Kööpenhaminassa? Onko siitä tietoa, luulin ettei sitä keskustelua olisi dokumentoitu. Kohta nähdäänkin sitten Ryhmiksen versio Kööpenhaminasta (lippu on), muistissa on aika hyvin 2001 vuoden kaupunginteatterin esitys, josta pidin kovasti.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Feynman oli tosiaan mukana bongaustasolla, ensin joulujuhlassa ja sitten ainakin yhdellä repliikillä Trinity-ydinpommikokeessa.

      Bohr toi kirjeissä, joita hän ei koskaan lähettänyt, selvästi esille oman versionsa siitä, mitä Heisenberg hänelle puhui miehitetyssä Kööpenhaminassa. Se on sopusoinnussa sen kanssa, mitä Heisenberg puhui muualla Saksan miehittämillä alueilla, ks.

      https://history.aip.org/exhibits/heisenberg/bohr-heisenberg-meeting.html

  2. Jani sanoo:

    Oppenheimer sen sijaan tietoisesti johti hanketta, missä kehitettiin aseita, joilla tapettiin yli satatuhatta ihmistä ja jotka ovat asettaneet koko sivilisaatiomme uhanalaiseksi.

    Riittäisikö nyky ydinaseet tähän? Tietty hallussa olevalla teknologialla pystytään kasvattaan vetypommien kokoa, mut jos tieto 15000 olemassa olevasta ydinaseesta pitää paikkansa, niin epäilen, että näillä ei ihmiskuntaa uhata?

    Aikoinaan oli huimaa nähdä, että montako ydinlatausta maapallolla on aikojen saatossa räjäytetty! Ja näistä noin 500 jopa ilmakehässä, joista suurin räjäytettiin vain noin tuhannen kilometrin päässä Suomesta!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ydinsodalla olisi katastrofaalinen globaali vaikutus. Tarkemmin, ks.

      https://thebulletin.org/2022/10/nowhere-to-hide-how-a-nuclear-war-would-kill-you-and-almost-everyone-else/

      ”Global climatic changes, widespread radioactive contamination, and societal collapse virtually everywhere could be the reality that survivors of a nuclear war would contend with for many decades.”

  3. Eusa sanoo:

    No saahan pirttiin valkeaa, kun uraani halkeaa.

    Voisiko ajatella, että yhä voimakkaampi panostaminen fission ja fuusion rakentavaan käyttöön ankarasti siihen riskinhallintaa sisällyttäen saattaisi olla parhainta tietoisuuskasvatusta niin, että hallitsemattomien voimien käytön lukolle ihmisten määrätietoiseksi tuhoamiseksi pysyisi riittävä henkilöiden verkoston koheesio, eikä muutama hullu voisi päästä asemaan, jossa tilanne karkaisi käsistä?

    Väkisinkin vain nousee mieleen Saksassa tapahtunut kehitys energia-alalla; onko taustalla häärinyt vääristyneitä voimia?

    Mitä mieltä Syksy olet pienydinvoimaloista? Voisitko nähdä niillä toteutettavan turvallisuusperusteista yhdyskuntarakennetta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ydinvoimaloiden määrän lisääminen tuskin mitenkään vähentää riskiä ydinaseiden käyttöön.

      Pienydinvoimalat menevät sen verta aiheen ohi, että ei niistä enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Miilut maanalaiset

15.8.2023 klo 19.49, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainitsin atomikellojen yhteydessä ohimennen Oklossa kaksi miljardia vuotta sitten toimineesta ydinreaktorista. Kirjoitan nyt tästä luonnonilmiöstä tarkemmin.

Aine koostuu atomeista, joissa on atomiydin ja sen ympärillä elektroneja. Ytimet rakentuvat protoneista ja neutroneista. Suurin osa ytimistä on epävakaita, eli ne hajoavat jonkun ajan kuluttua. Jos hajoamisessa irronnut neutroni osuu toiseen ytimeen, se voi pistää tämänkin palasiksi.

Vuonna 1938 Joseph Rotblat ja muut fyysikot ymmärsivät, että jos ytimiä on tarpeeksi tiheässä, voi syntyä ketjureaktio, missä jokainen hajoaminen johtaa uusiin hajoamisiin. Puun palaminen toimii samalla tavalla: kun atomista irtoaa elektroneita, tästä vapautuva energia hajottaa lisää atomeita, ja reaktio jatkuu.

Yksi merkittävä ero on se, että protoneita ja neutroneita toisiinsa sitova ydinvuorovaikutus on noin miljoona kertaa vahvempi kuin elektroneja atomiytimessä pitävä sähkömagneettinen vuorovaikutus. Tämän takia ydinten hajottamisesta saa noin miljoona kertaa enemmän energiaa kuin atomien rikkomisesta.

Jos ydinten tiheys on iso, ytimet kuluvat loppuun nopeasti eli energia vapautuu lyhyessä ajassa. Jos ytimet ovat kauempana toisistaan, reaktio voi jatkua pitkään. Ydinpommin ja ydinvoimalan erona on lähinnä reaktion nopeus.

Äärimmäisin esimerkki hitaasta hajoamisesta on löydetty Oklon kaivoksesta Gabonissa. Vuonna 1972 havaittiin, että Oklosta louhitussa malmissa oli tiettyä uraaniydintä vähemmän kuin mitä Maapallolla yleensä. Pian tajuttiin, että syynä on se, että uraaniytimiä oli hajonnut ketjureaktioissa kaksi miljardia vuotta sitten.

Oklosta on paikallistettu 15 ydinreaktoria 10-400 metrin syvyydestä. Ne olivat linssinmuotoisia, noin kymmenen metriä leveitä ja keskeltä vajaan metrin paksuja alueita, joihin oli pakkautunut uraania. Lisäksi maaperässä kallioperässä oli sopivasti vettä. Vettä käytetään myös ihmisten valmistamissa ydinreaktoreissa hidastamaan neutroneita, jotta nämä ehtivät hajottaa ytimiä ennen kuin lentävät pois.

Oklossa ydinten hajoamisesta syntyvä lämpö on lämmittänyt vettä muutamaan sataan asteeseen, kunnes vesi höyrystyy ja reaktori sammuu. Tämä kestää puoli tuntia. Sitten lämpötila laskee ja vesi valuu takaisin reaktoriin, ja kahden ja puolen tunnin kuluttua ketjureaktio alkaa uudelleen. Tätä luonnonkiertoa jatkui 100 000-300 000 vuotta, kunnes tarvittavat uraaniytimet kuluivat loppuun.

Oklo on ainoa tunnettu alue Maan pinnalla Maassa, missä on ollut ydinmiiluja ennen joulukuuta 1942, jolloin ihmiset käynnistivät Chicagossa reaktorin osana joukkotuhoaseiden valmistamista. Mutta muualtakin on löydetty merkkejä siitä, että ytimiä on pakkautunut niin tiheään, että ketjureaktio on ollut lähellä. On siis mahdollista, että luonnon ydinreaktoreita löydetään lisää.

Tällaiset reaktorit tarjoavat havaintoja siitä, millaisia luonnonlait ovat olleet kaksi miljardia vuotta sitten. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen takia protonit hylkivät toisiaan, joten sen voimakkuus vaikuttaa ydinten kokoon ja sitä kautta hajoamiseen. Protonit ja neutronit koostuvat kvarkeista, joten kvarkkien massat vaikuttavat nekin siihen, miten ydinreaktiot tapahtuvat.

Oklon kivistä voi mitata kuinka paljon erilaisia ytimiä syntyi. Vertaamalla havaintoja ennusteisiin saa selville, että kaksi miljardia vuotta sitten sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuus ja kevyiden kvarkkien massat poikkesivat nykyisistä korkeintaan miljoonasosan sadasosan verran.

Kosmologiassa havaitaan menneisyyttä kahdella tavalla: suoraan ja arkeologisesti. Oklon reaktorit, kuten kevyiden alkuaineiden pitoisuudet avaruudessa, ovat esimerkkejä jälkimmäisestä. Ne ovat jäänteitä, joista voi lukea mitä menneinä aikoina on tapahtunut. Toinen vaihtoehto on katsoa menneisyyteen suoraan. Koska valo kulkee äärellisellä nopeudella, mitä kauemmas katsoo, sitä varhaisempaan aikaan näkee.

Vuonna 2011 väitettiin, että miljardien valovuosien takaa tuleva valo näyttää, että sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuus oli muinoin sadastuhannesosan nykyistä pienempi. Tämä olisi mullistava tulos, mutta koska muutos on tuhat kertaa Oklosta pääteltyä rajaa isompi, on syytä suhtautua siihen epäilyksellä. Aiheesta on kiistelty, eivätkä sittemmin tehdyt suoratkaan havainnot tue väitettä.

Tiede ei ole torni, vaan päättelyn ja havaintojen verkko, joten yksi havainto harvoin riittää teorian hylkäämiseen, ja on tärkeää hyödyntää erilaisia tapoja tutkia samoja asioita.

Päivitys (17/08/23): Korjattu kieliasua.

10 kommenttia “Miilut maanalaiset”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”Tämän takia ydinten hajottamisesta saa noin miljoona kertaa enemmän energiaa kuin atomien rikkomisesta.”

    NL:n fuusiopommin, Tsar Bomban, teho oli n. 50 megatonnia eli yli kaksituhatkertainen verrattuna esim. Hiroshiman ja Nagasakin fissiopommeihin. Selitäpä tavalliselle kaduntallaajajle, miten fuusiopommilla saadaan tällainen teho?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En tunne ydinaseiden suunnittelua, mutta oleellista on se, kuinka monesta ytimestä saadaan sidosenergiaa irti (ja se, kuinka isoja niiden sidosenergiat ovat). Mitä enemmän sopivia ytimiä saadaan mukaan, sitä isompi räjähdys.

    2. MM sanoo:

      Uraani- ja plutoniumpommien käytännön teho määräytyy noiden isotooppien kriittisen massan mukaan: Ei ole käytännössä eikä ehkä teoriassakaan mahdollista tehdä pommeja, joissa fissioydin olisi kauheasti kriittistä massaa suurempi tai pienempi.

      Fuusiopommin vedyllä ei ole samassa mielessä kriittistä massaa, sitä voi ladata pommiin melkeinpä niin paljon kuin haluaa, paljon Tsar Bombaa enemmänkin. Vetypommin käytännön tehoa kuitenkin rajoittaa sekä koko, että se että valtavien räjähdysten teho katoaa enimmäkseen avaruuteen.

      Käsittääkseni johtaville ydinasevaltioille ei olisi mitenkään erityinen ponnistus tehdä paljon Tsar Bombaa isompia pommeja. Niille ei vain ole edes teoreettista käyttöä.

    3. Jnes sanoo:

      Varsinaiseksi pommiasiantuntijaksi en itseäni miellä, mutta jonkin verran on tullut asiasta luettua ja parhaani mukaan yritän vastailla..

      Vaiheistamalla pommia siitä saadaan enemmän räjähdysvoimakkuutta (kton) tilavuus. Periaatteessa näitä vaiheita voidaan lisätä loputtomiin, mutta käytännössä tila rajoittaa vaiheiden lukumäärän. Wikipediassa on hyvin tietoa tästä vaiheistamisesta, sekä yleensä lämpöydinräjähteestä. Teller-Ulam design.
      Nykyisissä ydinaseissa on mahdollista säätää latauksen tehoa useilla kilotonneilla. Myös monikärkilataukset kuuluvat ydinasevalikoimaan eri valtioilla.

      On totta, että pommin tehoa/kokoa kasvatettaessa sen tuhovaikutus jää ”pieneksi” tai se katoaa ilmakehään/avaruuteen, kuten Tsar Bomban tapauksessa. Toki räjäytys korkeudella on vaikutusta tähän.

      Mielenkiintoinen artikkeli, kiitokset siitä.

  2. Niilo Paasivirta sanoo:

    Hiroshiman pommi oli niin alkeellinen ja tehoton, että vain 2 % sen uraanimäärästä fissioitui, noin 1280 g. Räjähdysvoimakkuus 18-20 kt (TNT-ekvivalenttia).

    Fissiopommin yläraja on vaatimattomat 500 kt (TNT) käsittääkseni siksi että on vaikea saada aikaan suurta kriittistä massaa.

    Fuusiopommista voidaan tehdä ainakin 200 kertaa voimakkaampi mutta sellaisella ei ole mitään käyttöä.

  3. Lola Montez sanoo:

    Hyvä artikkeli

  4. Martti V sanoo:

    Oli näköjään tämä juttu ylittänyt Iltalehden uutiskynnyksen.

  5. Ville Rintala sanoo:

    ”Vettä käytetään myös ihmisten valmistamissa ydinreaktoreissa hidastamaan neutroneita, jotta nämä ehtivät hajottaa ytimiä ennen kuin lentävät pois.”

    Tämä ei ole mitenkään tärkein syy käyttää hidastetta ydinreaktorissa. Mikäli asia olisi väitetysti, niin helposti voi päätellä, että suurentamalla reaktorin kokoa asian voisi kompensoida. Näin ei kuitenkaan ole vaan hidastamalla muutetaan, tässä artikkelissa käytetyin termein, tiettyjen uraaniytimien keskinäisiä vuorovaikutustodennäköisyyksiä.

    ”Ydinpommin ja ydinvoimalan erona on lähinnä reaktion nopeus.”

    Tämähän on hauska heitto, mutta taidettu ihan tosissaan kirjoittaa. Yhteistä on, että molemmissa vapautetaan raskaiden atomiydinten sidosenergiaa, mutta siinä se onkin sitten.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Olen kirjoittanut asiasta näin:

      ”Tiedettä popularisoidessa ei ainoastaan tarvitse yksinkertaistaa asioita, vaan niitä pitää myös vääristellä. Asian selittäminen oikein, summittaisesti ja varauksella, antaa usein heikomman käsityksen kuin sen selittäminen selkeästi, yksinkertaisesti ja virheellisesti. Popularisoijan onkin valittava valheensa: ei ole aina helppoa päättää, mikä on oleellista kertoa oikein, ja mistä on parempi tarinoida siten, että mielikuva on oikein, vaikka juttu on väärin.”

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/suureellinen-fantasiaeepos/

      Yksittäisiä valintoja voi toki aina arvostella (kuten tuossa jutussa teenkin).

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Maanmittauksen perusteet

29.6.2023 klo 17.34, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin viime viikolla Tarton yliopiston konferenssissa Geometric Foundations of Gravity. Vierailin ensimmäisen kerran Tartossa vuonna 2004 Margus Saalin vastaväittäjänä. Nyt Margus on apulaisprofessori (vai liekö jo täysi professori), ja on osallistunut vuosien ajan gravitaatiokokousten järjestämiseen Tartossa. Nämä tapaamiset ovat kasvaneet pienistä keskikokoisiksi, ja paikalle tulee tutkijoita ympäri maailmaa. Osanottajia oli paikan päällä noin 70 ja etänä saman verran.

Konferenssin avasi Roberto Percaccin katsaus yleisen suhteellisuusteorian erääseen muotoiluun. Yleisestä suhteellisuusteoriasta on useita versioita, joissa on erilaisia oletuksia aika-avaruudesta. Yksi tutkituimpia teorioita on sellainen, missä erotetaan toisistaan se onko viiva suora ja onko sen vetämä reitti lyhin – nämä asiat eivät välttämättä liity toisiinsa. Yksinkertaisissa tapauksissa eri versioiden ennusteet ovat samat, mutta varhaisessa maailmankaikkeudessa ja muissa äärimmäisissä olosuhteissa teoriat erottuvat toisistaan.

Percacci on vanhan linjan gravitaatiotuntija, joka katsoo asioita ensisijaisesti aika-avaruuden kautta, ei miettien sovelluksia kosmologiaan tai hiukkasfysiikkaan. Tämä on katoava näkökulma, ja hänen puheensa on oli osoitus siitä, miten gravitaatiosta ja hiukkasfysiikasta voi puhua samalla kielellä yhtä aikaa laajasti ja yksityiskohtaisesti.

Seuraavana oli Verónica Errasti Díez, jonka ala on matemaattinen fysiikka, mikä on teoreettisesta fysiikasta piirun verran kohti matematiikkaa. Leikillisesti voi sanoa, että teoreettisilla fyysikoilla on ongelmia, joihin he etsivät ratkaisuja, kun taas matemaattisilla fyysikoilla on ratkaisuja, joihin he etsivät ongelmia. Toisaalta koska matemaattisessa fysiikassa pyritään samaan täsmällisyyteen kuin matematiikassa, se voi tarjota luotettavia yleisiä tuloksia teorioiden ominaisuuksista.

Diez puhui gravitaatioteorioiden vakaudesta. Vaikka yleiselle suhteellisuusteorialle on esitetty satoja erilaisia laajennuksia, suurin osa niistä ei voi kuvata todellisuutta. Tyypillisesti käy niin, että aika-avaruus ja aine eivät pysy jokseenkin samanlaisena pitkän aikaa, vaan kaikki hajoaa erittäin nopeasti, toisin kuin todellisessa maailmassa. Tämä on hyvä, koska epävakaat teoriat voi sivuuttaa ja keskittyä mahdollisesti toimiviin vaihtoehtoihin.

Diez kertoi oivaltavasti ja selkeästi miten teorian vakauden selvittäminen ei kuitenkaan ole niin helppoa kuin teoreettiset fyysikot ajattelevat. Teoria voi näyttää epävakaalta, mutta tarkemmin katsottuna osoittautua terveeksi, eikä sitä voikaan heittää romukoppaan.

Omassa puheessani hahmottelin hiukkasfysiikan merkitystä gravitaatioteorioille. Tieteenhistorioitsija Thomas Kuhn kirjoitti vuonna 1961, että 50 vuoden kuluttua yleinen suhteellisuusteoria saattaa olla kokonaan unohdettu, koska huolimatta ”epäilyttä nerokkaiden miesten” parhaista yrityksistä siitä oli saatu puristettua ulos vain kolme ennustusta.

Kuhn oli väärässä sekä menneisyydestä ja tulevaisuudesta. Venäläinen fyysikko Aleksandr Fridman oli osoittanut vuonna 1922, että yleinen suhteellisuusteoria johtaa siihen, että maailmankaikkeus laajenee tai supistuu, ja belgialainen tähtitieteilijä Georges Lemaître oli vuonna 1927 johtanut siitä täsmällisen ennustuksen galaksien etäisyyden ja etääntymisnopeuden suhteesta. Se tuli sittemmin tunnetuksi seuraavan löytäjänsä mukaisesti Hubblen lakina.

Mutta Kuhn oli oikeassa siinä, että yleisessä suhteellisuusteoriassa oli 30-50-luvuilla kuiva kausi, ja että ennustusten tekeminen ja tarkistaminen havaintojen avulla on tärkeää teorian kehitykselle. Yksi merkittävä syy siihen, että yleisen suhteellisuusteorian toinen kukoistus alkoi 1960-luvulla oli uudet havainnot kvasaareista (eli nykykielellä isoista mustista aukoista), joiden selittämiseksi Robert Oppenheimer kokosi yhteen hiukkasfyysikoita ja yleisen suhteellisuusteorian tuntijoita.

Nykyään hiukkasfysiikka ja yleinen suhteellisuuteoria kohtaavat kosmologiassa. Puhuin erityisesti siitä, että jos Higgsin kenttä on vastuussa kosmisesta inflaatiosta, niin se voi tuoda joitakin tavoittamattomana pidettyjä kvanttigravitaation piirteitä havaintojen ulottuville.

Konferenssissa oli 64 puhetta, joista suurin osa oli jaettu kahteen ohjelmavirtaan. Itse seurasin enimmäkseen esityksiä gravitaatioteorioista ja kosmologiasta, toisessa virrassa keskityttiin mustiin aukkoihin.

On tavallista, että konferenssipuheista monet ovat turhan yksityiskohtaisia ja siksi vaikeasti seurattavia. Niissä myös vaihtelee se, miten hienostunutta matematiikkaa niissä käytetään, ja miten perusteltuja niiden fysikaaliset ideat ovat. Kehittyneempien menetelmien käyttäminen ei välttämättä tarkoita sitä, että työ olisi merkittävämpää.

Konferensseissa saa muutamassa päivässä tehokkaan katsauksen yhteen fysiikan osa-alueeseen, keksii uusia ideoita ja havaitsee virheitä omassa ajattelussa. Ne myös muistuttavat siitä, miten paljon yksityiskohtaista työtä on pientenkin edistysaskeleiden takana.

Konferenssiin kuului tavalliseen tapaan sosiaalista ohjelmaa, kuten kiertue vanhalla observatoriolla. Sen tarkoitus ei ole vain viihdyttää osallistujia, vaan luoda tilaisuuksia epämuodolliselle vuorovaikutukselle. Teoreettisten fyysikoiden yhteistyö ei synny ylhäältä ohjaamalla, vaan ennustamattomasti ihmisten keskustellessa ja väitellessä.

Tarton yliopiston linjauksen mukaisesti venäläisten ja valkovenäläisten instituuttien tutkijat saivat osallistua konferenssiin vain, jos heillä oli henkilökohtainen kutsu. Euroopassa on tiukasti rajoitettu akateemista yhteistyötä venäläisissä instituuteissa työskentelevien tutkijoiden kanssa. Nämä rajoitukset ovat laajempia ja vähemmän kohdennettuja kuin palestiinalaisen kansalaisyhteiskunnan vaatimus Israelin akateemisesta boikotista, joka on suunnattu instituutioita vastaan, ei yksilöitä.

Fysiikka etenee havaintojen ja teorian yhteispelinä. Tarton tapaaminen oli painottui teoriaan, mutta joitakin siellä esitettyjä teorioita testaa ylihuomenna 1.7. kello 18.11 Suomen aikaa avaruuteen laukaistava Euclidsatelliitti.

20 kommenttia “Maanmittauksen perusteet”

  1. Eusa sanoo:

    Onko teorian ja hypoteesin raja kyllin selvä? Oliko sinulle Syksy helppoa tunnistaa, että nyt ollaan teorian kehyksessä tai että esittelyssä on hypoteesi?

    Edellä tuli puheeksi lisätty parametri. Voisiko ajatella, että niin kauan kuin teoria pysyy kasassa lisätyillä aineksilla, joita voisi olla olemassa mutta ei vielä havaittu, kysymyksessä on teorian koettelu ja kun ilmiölle esitetään systeemisesti uudenlainen selitysmalli, on se hypoteesi uudeksi teoriaksi?

    Aiheeseen liittyy mielestäni läheisesti se, että sovellettavaksi teoriaksi hyväksyttyjen oppien tulisi kai olla lopulta keskinäisesti ristiriidattomia – tai ainakin nähtävissä niiden kehittyminen sellaisiksi. Yleinen suhteellisuus ja kvattiteoriat taitavat olla natiivisti yhteensovittamattomia ilman hypoteesin kautta paradigman vaihdosta…

  2. maanmittari sanoo:

    Mielenkiintoinen otsikko, lyhimmästä matkasta kyllä puhuttiin mutta muuten otsikon yhteys tekstiin jäi itselleni epäselväksi, joka ei ole näissä yhteyksissä tietenkään kummallista.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Otsikko viittaa konferenssin nimessä esiintyvään sanapariin ”geometric foundations”. Geometria tarkoittaa kirjaimellisesti maanmittausta, koska se kehittyi alun perin maanmittaukseen liittyvien ongelmien ratkaisemisesta.

      1. maanmittari sanoo:

        Kun otsikossa oli myös (- -) of Gravity, niin se vei ajatukseni pois ”perinteisestä” maanmittauksesta.

  3. Pauli Rikula sanoo:

    Jos olettaisi, että nämä koskiset säikeet ( https://www.youtube.com/watch?v=Thw43hzXlDA ) ovat totta, niin voisiko kaksi mustaa aukkoa imeä samaa kosmista täiettä kuin rakastavaiset spagethia lautaselta? Olisi ehkä sopivaa käyttää tästä testattavasta teoriasta työnimeä ’Cosmic Lady & tramp’ tuollaisessa konfrenssissa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En katsonut videota. Mutta jos kosmisiä säikeitä on olemassa, niitä on niin harvassa, että tällainen tilanne olisi hyvin epätodennäköinen.

  4. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Geometria oli kehittynyttä jo antiikin Kreikassa. Tästä esimerkkinä on 1036 metriä pitkä Eupalinoksen tunneli Samoksen saarella.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Tunnel_of_Eupalinos
    Se on valmistunut vesijohdoksi Kastro-vuoren läpi 6. vuosisadalla ennen ajanlaskun alkua. Tietojen mukaan tunnelin kaivajat lähtivät vuoren molemmilta puolilta liikkeelle ja osuivat yhteen. Tunneli on UNESCO:n maailmanperintökohde ja sinne pääsee. Minun kanttini kesti n. 100 m ja sitten tuli tunne, että täältä on päästävä äkkiä pois!

  5. Martti V sanoo:

    Arkinen käsitys suorasta viivasta lyhimpänä matkana ei taida päteä voimakkaassa gravitaatiossa, jossa lyhin matka käyristyy. Aikaulottuvuus vaikuttaa myös matkaan. Hiljattain uutisointiin että aika oli viisi kertaa hitaampaa maailmankaikkeuden ollessa miljardin vuoden ikäinen. Vaikka syntyvät galaksit olivat silloin lähempänä toisiaan olisiko niiden välinen matka taittunut hitaammin mitä vastaava etäisyys nykyään veisi valolta? Toinen kysymys oliko aika lähes pysähtynyt inflaation aikoihin?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Asia on juuri päin vastoin.

      Yleisen suhteellisuusteorian (alkuoperäisen ja yleisimmän muotoilun) mukaan juurikin suoraa viivaa pitkin menevä reitti on (paikallisesti) lyhin. (Tämä pätee avaruudenkaltaisille viivoille – avaruuteen vedettyjen viivojen vastine suhteellisuusteoriassa. Kappaleet joihin ei vaikuta voimia liikkuvat näillä suorilla viivoilla.

      Aika kulkee samaa tahtia maailmankaikkeuden kaikkina aikoina. (Oikeastaan kysymys siitä, kulkeeko aika eri tahtia eri aikoina ei ole kovin mielekäs.)

      1. Martti V sanoo:

        Aiikaan liittyen onko tämä tutkimus sitten väärässä ? https://phys.org/news/2023-06-quasar-clocks-universe-slower-big.html

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tutkimuksessa ei ole kyse siitä, että aika kulkisi hitaammin varhaisessa maailmankaikkeudessa. Kyse on siitä, että kun valo kulkee laajenevassa maailmankaikkeudessa, se venyy ja sen värähtelyjen taajuus laskee. Toisin sanoen tapahtumat näyttävät tapahtuvan hitaammin.

          Linkkaamasi uutisen otsikko on siis väärin, tutkimuksen otsikko on oikein: https://www.nature.com/articles/s41550-023-02029-2

          1. Cargo sanoo:

            Meinaako tuo sitä, että kun se muinainen valo on lähtenyt liikkeelle, niin avaruus on ollut enemmän ”rutussa” kuin nykyään, jolloin asiaa voisi verrata mustaan aukkoon putoavaan kappaleeseen ja sen lähettämään signaaliin?

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Kyllä.

          3. Cargo sanoo:

            Voisiko noiden havaintojen avulla tarkastella onko valon nopeus ollut lokaalisti vakio kaikkina aikoina? Voisihan sitä olettaa, että alkuaikojen tyhjiössä on ollut enemmän kuhinaa, mikä on saanut fotonit kulkemaan hitaammin verrattuna nykypäivään.

          4. Syksy Räsänen sanoo:

            Yleisessä suhteellisuusteoriassa (ja tavallisessa sähkömagnetismissa) valon nopeus tyhjössä on paikallisesti aina sama. Pitää siis ehdottaa jotakin laajennettua teoriaa, ja onhan niitä ehdotettukin. Mutta tulos riippuu siitä, millainen muunnettu teoria on, asiaa ei voi testata mallista riippumattomasti.

      2. Joksa sanoo:

        Siis olisi kyse pelkästään aika-avaruuden vaikutuksesta etäisen kellon käyntiä ilmentäviin viesteihin. Perus-Dopplerilmiössä kävisi kai niin että junan tullessa asemalle päin vihellys kuulostaa korkeammalta ja junassa kulkevan hyvin äänekkään kellon tikitys tiheämmältä, ja poispäin mennessä vihellys kuulostaa matalammalta ja sen kellon tikitys harvemmalta. Mutta kellot kävisi molemmissa tapauksissa koko ajan samaa tahtia. Etäisten maailmankaikkeuden tapahtumien nopeusmuutokset antanee viitettä sen osalta olisiko mahdollista että aika olisi kulkenut aikaisemmin esim. gravitaation vaikutuksesta hitaammin. Siinä tapauksessa _vaikuttaisi_ siltä että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyisi, gravitaation aikaa hidastavan vaikutuksen heiketessä, kuten tekeekin. Mutta siis kiihtyykö oikeasti vai vaikuttaako vain silä?

        Suhtiksen mukaanhan eri- tai edes saman aikaisestikaan käyvät kellot eivät välttämättä käy samaa tasaista tahtia, joten olisi kai hyvä täsmentää mistä ajakulusta puhutaan. Suhteellisten havainnoijien mukana kulkevien kellojen mittaamien (itseis)aikojen lisäksi on siis dualistisesti olemassa myös yksi yleinen yhteinen kosminen aika. Muutoin kai ei ole edes mielekästä todeta ajan kulkeneen yhtä ja samaa tahtia maailmankaikkeuden kaikkina aikoina.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtyminen ei liity näihin havaintoihin valon venymisestä.

          Kun puhutaan maailmankaikkeuden iästä, tarkoitetaan aikaa, jonka mittaa sellainen havaitsija, joka näkee aineen jakautuneen tilastollisesti homogeenisesti avaruudessa.

  6. Lentotaidoton sanoo:

    Aivan kuten Räsänen sanoo. (näitten uutisten kanssa täytyy aina olla vähän tarkkana). Otsikot heittää mutta asia on sama.

    Uutinen: ”If you were there, in this infant universe, one second would seem like one second—but from our position, more than 12 billion years into the future, that early time appears to drag.” Siis: early time APPEARS to drag.

    Tutkimus: “A fundamental prediction of relativistic cosmologies is that, owing to the expansion of space, observations of the distant cosmos should be time dilated and appear to run slower than events in the local universe”. Siis: “APPEAR to run slower”

    1. Martti V sanoo:

      Kiitos selvennyksestä. Äkkiä ajateltuna tiiviimmässä maailmakaikkeudessa gravitaatio vaikuttaisi myös ajan dilaatioon. Jännää että nopeat varhaiset vaiheet kuten massivisten mustien aukkojen syntyminen tapahtui vieläkin nopeempaa miltä se näyttää nykyään.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kohti kaaren huippua

14.6.2023 klo 15.52, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Satelliitti Euclid laukaistaan viimein heinäkuussa kiertoradalle. Tämänhetkisen aikataulun mukaan Euclid nousee taivaaseen lauantaina 1. päivä kello 18.42 Suomen aikaa. Odottaessa voi ostaa Euclid-paitoja ja muita fanituotteita Euroopan avaruusjärjestö ESAn nettikaupasta.

Euclid on ESAn uusin kosmologiasatelliitti. Edellinen oli 14 vuotta sitten laukaistu kosmista mikroaaltotaustaa katsonut Planck, seuraava on 14 vuoden päähän suunniteltu gravitaatioaaltoja kuunteleva LISA.

Kosmologian havaintoprojekteista on tullut isoja kuin hiukkasfysiikan kokeista. Euclidissa on yli 2 000 tutkijaa 300 instituutista 13 Euroopasta, Japanista, Kanadasta ja Yhdysvalloista. Euroopasta lienee vaikeampi löytää kosmologia, joka ei olisi mukana Euclidissa kuin Euclidin jäseniä.

Suomen osuutta johtaa Hannu Kurki-Suonio Helsingin yliopistosta, ja mukana on tieteilijöitä Helsingin, Turun ja Jyväskylän yliopistoista sekä Aalto-yliopistosta (minäkin). Tieteellisen laskennan keskus CSC on tärkeä kumppani, koska yksi Euclidin datankäsittelykeskuksista tulee Suomeen.

Isojen kokeiden kaari on pitkä. ESA valitsi Euclidin 4. lokakuuta 2011, samana päivänä kun Ruotsin tiedeakatemia päätti myöntää Nobelin palkinnon maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisen havaitsemisesta. Kirjoitin vuonna 2012, että ”jos kaikki tapahtuu ajallaan (mikä lienee isoissa projekteissa poikkeuksellista), satelliitti laukaistaan seitsemän vuoden kuluttua”. Yksi viimehetken syy viivästymiseen on ollut se, että Euclid oli tarkoitus laukaista venäläisellä Soyuz-raketilla, mutta Venäjän hyökättyä Ukrainaan tilalle vaihdettiin SpaceX:n raketti Falcon 9 Block 5.

Planck teki maailman tarkimmat mittaukset koko kosmisesta mikroaaltotaivaasta, ja sen dataa käytetään vielä vuosikymmeniä. Euclidilla on vastaava rooli mitä tulee ison mittakaavan rakenteeseen eli galaksien, galaksiryppäiden ja muiden kosmisten kappaleiden jakaumaan. Ison mittakaavan rakenne on kosmisen mikroaaltotaustan ohella yksi kosmologian keskeisiä havaintokohteita.

Euclid kuvaa kolmanneksen taivaasta miljardien valovuosien päähän näkyvällä ja infrapuna-aallonpituudella. Lisäksi se mittaa pienen palan taivasta syvemmälle, ja näkee sieltä muun muassa varhaisten aikojen jättimäisten mustien aukkojen ympärille kertyneiden kiekkojen säteilyä.

Koska valo kulkee äärellisellä nopeudella, kun katsoo kauas paikassa näkee pitkälle menneisyyteen. Euclid siis havaitsee, miten aineen jakauma kehittyy maailmankaikkeudessa miljardien vuosien aikana. Yksi Euclidin tavoite on mitata muun aineen läpi virtaavien neutriinoiden massat havaitsemalla niiden vaikutus rakenteiden kehitykseen. Euclid myös tekee tarkkoja mittauksia varhaisen maailmankaikkeuden ääniaaltojen jalanjäljistä.

Galaksien paikkojen lisäksi Euclid mittaa puolentoista miljardin galaksin muodot. Meidän ja galaksien välinen aine taittaa galakseista tulevaa valoa. Niinpä muotojen vääristymästä voidaan päätellä kuinka paljon pimeää ainetta maailmankaikkeudessa on näkyvän aineen lisäksi.

Euclid näkee 200 000 galaksin ja 5 000 galaksiryppään taittavan valoa niin vahvasti, että taustalla olevien galaksien kuvat venyvät kaariksi ja hajoavat osiin. Nämä harvinaiset ilmiöt ovat hyödyllisiä testikappaleita. Nykyään tällaisia hyvin mitattuja systeemejä on vain joitakin kymmeniä.

Euclidin pääasiallinen tutkimuskohde on avaruuden laajenemisen kiihtyminen, jolle suosituin selitys on pimeä energia. Satelliitti on nimetty ”geometrian isänä” tunnetun kreikkalaisen matemaatikon Eukleideen mukaan, ja sen alkuperäisessä logossa oli vanha parrakas mies mittaamassa maailmankaikkeutta. Nimi viittaa siihen, että maailmankaikkeuden laajeneminen on aika-avaruuden kaarevan geometrian ilmentymä.

Vaikka Euclid suuntaa katseensa kauas, se näkee myös lähelle. Euclidin kuvissa arvioidaan näkyvän noin 150 000 Aurinkokunnan asteroidia, ja se erottaa yksittäisiä tähtiä jopa 20 miljoonan valovuoden päästä. Yksi kiinnostava kohde on 65-135 Auringon massan painoisten tähtien hajoamisesta syntyvät supernovat, joita Euclid voi nähdä paljon kauempaa. Niitä ei ole toistaiseksi havaittu ainuttakaan, ja gravitaatioaaltohavainnot saattavat viitata siihen, että jotakin noissa tähdissä ei ymmärretä.

Euclidilla kestää kuukausi kiivetä 1.5 miljoonan kilometrin päähän Maapallosta. Käyttöönotto ja koeaika kestää kolme kuukautta, eli tieteelliset havainnot alkavat marraskuussa. Satelliitti liikkuu Maan mukana Auringon ympäri. Mittausdataa kertyy 100 GB päivässä.

Euclidin on määrä tehdä havaintoja ainakin kuusi vuotta, mutta viralliset tavoitteet ovat varovaisia ja usein satelliitit kestävät suunniteltua pidempään. Planckin arvioitu kesto oli kaksi ja puoli vuotta, mutta se teki mittauksia yli neljä vuotta, kunnes lopulta jäähdytinaine loppui.

Tavallisen käytännön mukaan Euclid-ryhmä analysoi ensin itse datan ja tekee siitä analyysin, sen jälkeen data annetaan kaikkien käyttöön. Ensimmäiset tulokset ja havainnot on tarkoitus julkistaa vuonna 2025, ja kaiken datan pitäisi olla julkista 2030. Suurimman osa Euclidin havaintoja käyttävästä tieteestä tekevät muut kuin Euclid-ryhmä. Euclidin kaari jatkuu kauan sen jälkeen kun satelliitti on sammutettu ja heitetty pois avaruuteen.

13 kommenttia “Kohti kaaren huippua”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”Yksi viimehetken syy viivästymiseen on ollut se, että Euclid oli tarkoitus laukaista venäläisellä Soyuz-raketilla, mutta Venäjän hyökättyä Ukrainaan tilalle vaihdettiin SpaceX:n raketti Falcon 9 Block 5.”

    Venäjä ei ole hyökännyt Ukrainaan vaan Venäjällä on sotilaallinen erikoisoperaatio venäjää puhuvien ja venäjämielisten kansalaisten suojelemiseksi Ukrainassa. Olisi toivottavaa, että tieteellinen yhteistyö voitaisiin irrottaa politiikasta!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hyökkäyksen ja sodan todellisuuden peitteleminen kielellisillä tempuilla on hyökkääjille ja miehittäjille tyypillistä.

      Tämän blogin kommentteihin se ei kuulu.

      Tiede on osa yhteiskuntaa, ja siksi tieteellisessä yhteistyössä on syytä ottaa huomioon yhteiskunnan kehitys ja tieteilijöiden vaikutus.

      Tieteilijöiden vastuusta aiemmin, ks.

      https://web.archive.org/web/20150411182551/http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/ympariston_vaikutus_olomuodon_muutoksissa

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/rajaton-tiede/

      Tämä riittäkön tästä aiheesta tällä kertaa.

  2. Martti V sanoo:

    Jänniä aikoja jos gravitaatiolinssien mittaukset vetää rajaa muokatun gravitaation ja pimeän aineen välille

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Niinpä.

    2. Eusa sanoo:

      Käsittääkseni Euclidin tavoitteena ei ole osoittaa, kumpi hypoteesi on parempi, vaan pikemminkin auttaa tarkemmin ymmärtämään kaikkeuden ominaisuuksia ja kehitystä.

      Gravitaatiolinssihavaintojen kartoitus saattaa antaa valoa siitä mistä suunnasta voisi pimeän gravitaation luonteeseen löytyä selitystä, mutta ennakoidun mallin ratkaisijaksi todennäköisyys on häviävän pieni. Sen voi tietysti sanoa jo etukäteen, että koska pimeä aine on luonteeltaan lisätty parametri, sitä ei saada pois ilman uutta teoriakehystä. Esim. MOND puolestaan on sovitettua matematiikkaa ilman varsinaista fysikaalista motiivia, joten se voi lähinnä tulla pois suljetuksi.

      Mielenkiintoisinta olisi tulos, joka voisi johtaa yleisen suhteellisuuden kuvauksen syventämiseen.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        En tiedä mitä tarkoitat termillä ”pimeä gravitaatio”.

        Euclidin pääasiallinen tehtävä on maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen luotaaminen, ja suosituin selitys sille on pimeä energia. Se on eri asia kuin pimeä aine.

        Pimeä aine ei ole ”lisätty parametri”, vaan fysikaalinen idea, jota on toteutettu monissa eri malleissa. (Eli on olemassa erilaisia ehdokkaita sille, mitä pimeä aine voi olla.)

        1. Eusa sanoo:

          Pimeällä gravitaatiolla tarkoitan tutkimuskokonaisuutta, jossa nimettyinä avoimina (pimeinä) kysymyksinä ovat pimeä energia, pimeä aine ja gravitaatioon hakusalla olevat kvantit.

          Mm. Vulcanus oli lisätty parametri, kunnes selitys löytyi Merkuriuksen eksentrisen radan aiheuttamien gravitaatiomuutosten signaaliviiveistä.

  3. Martti V sanoo:

    Voiko pimeä aine olla kupruja aika-avaruudessa ilman että varsinaista pimeän aineen hiukkasta olisikaan olemassa? Maailman kaikkeuden jäähtyessä muitakin valuvikoja syntyi.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä, niitä sanotaan mustiksi aukoiksi.

      1. Martti V sanoo:

        Luin blogisi kyllä plackin mittakaavan mustista aukoista mutta onko useita vaihtoehtoja syntymekanismiksi? Mahdollisesti romahtaneita axion säikeitä?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          On tosiaan monia ehdotuksia mustien aukkojen tuottamiseksi, yksi niistä aksionisäikeiden romahdus.

      2. Martti V sanoo:

        MOND on toinen vaihtoehto mustille aukoille. Hiljattain julkaistu korealaistutkimus kaksoistähdistä puoltaa MOND teoriaa. Ylipäätänsä oletus että avaruus kaaretuu ainaostaa energiatensorin mukaan saattaa olla väärä suurilla etäisyyksillä.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          MOND ei ole vaihtoehto mustille aukoille. Se on ehdotus muokatuksi gravitaatiolaiksi, joka selittäisi aineen liikkeitä galakseissa ilman pimeää ainetta. Se ei ole kokonainen teoria, joka selittäisi kaikkia havaintoja, mutta on esitetty teorioita, joista MOND olisi approksimaatio.

          Yksikään näistä teorioista ei ole ennustanut oikein asioita, joita pimeä aine ei selittäisi, eikä pysty selittämään kaikkia asioita, mitä pimeä aine selittää.

          Ei tästä nyt sen enempää.

          Tarkemmin: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kulta-ajan neljäs kausi

25.5.2023 klo 21.13, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Gravitaatioaalto-observatorioiden nelikko LIGO, Virgo ja KAGRA aloitti eilen neljännen kautensa. Se oli ollut poissa pelistä sen jälkeen kun kolmas havaintokausi loppui maalis-huhtikuussa 2020. Laitteita on kolmen vuoden aikana huollettu ja kehitetty.

Japanissa Ikenoyama-vuoren sisällä istuva KAGRA osallistuu tälle kaudelle entistä täysipainoisemmin. Laite otti ensimmäisen kerran dataa vuonna 2016, joskin lähinnä laitteiden testaamiseksi. KAGRA osallistui kolmannelle havaintokaudelle vain kaksi viimeistä viikkoa, ja nyt se on aluksi mukana vain kuukauden. Sen jälkeen laitetta parannellaan, ja se palaa myöhemmin mukaan. KAGRAssa on osittain kehittyneempää teknologiaa kuin LIGOssa, mutta ilmeisesti kestää odotettua kauemmin, että se saadaan toimimaan kunnolla. Italiassa oleva Virgo puolestaan aloittaa vasta myöhemmin tänä vuonna. Aluksi pääpaino on siis LIGOn kahdessa Yhdysvalloissa sijaitsevassa havaintolaitteessa, jotka tekivät myös ensimmäiset havainnot.

LIGOlla ja Virgolla on ollut onnea matkassa. Ensimmäisen kauden alussa syyskuussa 2015 LIGO näki kauniin musta aukko -parin törmäyksen ennen kuin laitteet olivat edes varsinaisesti aloittaneet tiedehavaintoja.

Toisella kaudella LIGO ja Virgo näkivät törmäyksen, jossa ainakin toinen osapuoli oli neutronitähti ja josta siksi nähtiin gravitaatioaaltojen lisäksi myös valosignaaleja monilla aallonpituuksilla. Tämä oli vastaansanomaton todiste siitä, että laitteet todella näkevät gravitaatioaaltoja, ja niiden yhdistäminen sähkömagneettisiin havaintoihin avasi uusia mahdollisuuksia. Toistaiseksi haaviin ei ole jäänyt muita tapauksia, joissa olisi nähty törmäys eri sanansaattajien kautta. Toisen kauden jälkeen lokakuussa 2017 LIGOn löydöistä myönnettiin Nobelin palkinto.

Kolmannen kauden merkittävin piirre oli laitteiden kehittymisestä seurannut havaintojen määrän kasvu. Ensimmäisellä ja toisella kaudella tehtiin yhteensä vain 11 havaintoa, kolmannella kaudella LIGO ja Virgo näkivät 79 gravitaatioaaltoa. Tämä teki mahdolliseksi yksittäisten tapausten lisäksi mustien aukkojen väestön ominaisuuksien tutkimisen. Jotkut havainnot olivat outoja, koska niissä näkyi kohteita, jotka vaikuttavat joko liian pieniltä mustaksi aukoksi mutta turhan raskaita neutronitähdiksi, tai liian keskiraskailta mustiksi aukoiksi, jotka ovat syntyneet tähden romahtaessa.

Alkuun jokainen havainto tuntui läpimurrolta, mutta kolmannella kaudella niistä tuli arkea, kun satoja miljoonia vuosia sitten törmänneiden mustien aukkojen synnyttämiä avaruuden värähtelyjä havaittiin kerran-pari viikossa. Applella on appi, jolla saa puhelimeen viestin kun gravitaatioaalto on kulkenut Maan läpi. Jos on kiinnostunut yksityiskohdista, niin LIGO-Virgo-KAGRA-ryhmällä on sivu, mistä löytyy dataa ja neuvoja.

Neljännen kauden on määrä kestää 20 kuukautta, joista 18 kuukautta on havaintoaikaa. Kolmannella kaudella tehtiin 11 kuukautta havaintoja. Lisäksi laitteet ovat nyt entistä 30% herkempiä, eli odotettavissa on yli 150 uutta havaintoa. Pitkä aika auttaa myös kaivamaan pitkäkestoisia mutta heikkoja signaaleja kohinan seasta, kuten pyörivien neutronitähtien pinnalla olevien vuorten jalanjälkiä.

Odotetaan erityisesti, että nähdään lisää neutronitähtien törmäyksiä sekä gravitaatioaaltojen että valon avulla. Koska neutronitähdet ovat kevyempiä kuin mustat aukot, niiden synnyttämät gravitaatioaallot ovat heikompia.

Tällä hetkellä LIGO näkee neutronitähtien törmäyksiä 520 miljoonan valovuoden päästä, KAGRA vain kolmen miljoonan. Virgo on siinä välissä, noin 150 miljoonalla valovuodella. Ennusteiden mukaan näillä etäisyyksillä tapahtuu yhdestä kymmeneen tällaista törmäystä vuodessa. Eri teleskoopit ja satelliitit ovat valmiina suuntaamaan katseensa sinne kohtaa taivasta mistä gravitaatioaaltoja tulee heti saatuaan LIGOlta ja kumppaneilta sanan. Mitä useampia havaintolaitteita on eri paikoissa, sitä tarkemmin saadaan määritettyä, mistä suunnasta gravitaatioaallot tulevat, ja sitä helpompi on etsiä tapahtuman lähettämää valoa.

Viime kuussa Intian hallitus antoi lopullisen luvan kolmannelle LIGO-observatoriolle, joka rakennetaan lähelle Aundhan kaupunkia Intiassa. Laite tunnetaan nimillä LIGO-India, IndIGO ja LIGO-Aundha. Alun perin puhuttiin, että se aloittaisi toiminnan jo 2024. Nyt näyttää siltä, että LIGO-India tulee mukaan vasta LIGOn ja kumppaneiden viidennelle kaudelle, jonka on määrä alkaa vuonna 2027. Tällöin myös Virgon ja KAGRAn on määrä saavuttaa lähes yhtä iso herkkyys kuin LIGOn.

Viidennen havaintokauden lopusta vuonna 2029 on alle vuosikymmen siihen, kun satelliittikolmikon LISA on määrä nousta Aurinkoa kiertävälle radalle mittaamaan törmäävien galaksien keskustojen jättimäisten mustien aukkojen lähettämiä gravitaatioaaltoja. Toistaiseksi niitä on nähty ainoastaan valolla. LISAn laukaisu on viivästynyt vielä pari vuotta sitten tavoitteena olleesta vuodesta 2034 vuoteen 2037. Tämä on isoille ja uutta teknologiaa käyttäville kokeille tavallista. Viive antaa nopeasti etenemään pyrkiville kiinalaisille satelliittihankkeille TianQin ja Taiji lisäaikaa kiriä ohi.

Jättimäisten mustien aukkojen gravitaatioaaltohavainnot saattaa kuitenkin korkata NANOGrav, joka mittaa häiriöitä pyörivien neutronitähtien lähettämissä radioaalloissa. Tästä julkaistiin kutkuttavia vihjeitä 2020, ja varmistusta odotettiin vuodelle 2021. Tänä keväänä on kuulunut huhuja siitä, että löytö julistettaisiin pian. Varmaa on se, että nyt on gravitaatioaaltojen ja mustien aukkojen kulta-aika, ja havainnot ja teoria kehittyvät koko ajan.

14 kommenttia “Kulta-ajan neljäs kausi”

  1. Antti sanoo:

    tuleeko näin tarkat mittaukset korjaamaan teorioita joltain osin ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ne varmasti tarkentavat kuvaa ainakin neutronitöhtien koostumuksesta, ehkä myös tähtien kehityksestä ja muista aiheista. Olisi tietysti kiinnostavinta jos löydettäisiin jotain perustavanlaatuisesti uutta, kuten vaikka niin pieniä mustia aukkoja, että ne eivät ole syntyneet tähtien romahduksessa, tai jotain mitä ei ole vielö tultu ajatelleeksi, mutta tästä ei ole takeita.

      Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaksi-kuilua/

  2. Natalya Koršunova sanoo:

    täyttä asiaa!

  3. Jyri T. sanoo:

    31.5. mennessä jo 16 mahdollista havaintoa!

    https://gracedb.ligo.org/superevents/public/#O4

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Monien todennäköisyys on tosin aika pieni.

  4. miguel sanoo:

    Kiitos selvennyksestä. Olen vähän ihmetellyt, että on puhuttu vain LIGO-havainnoista ja samalla kuitenkin Virgosta ja KAGRAsta aina mainitaan. Miettinyt, paljonko tässä (jenkeissä) osataan korostaa tiettyä paikkaa ja kuka mitäkin on tehnyt, mutta kirjoituksesi perusteella siihen on perusteet..

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Virgo on vanhempi ja vähemmän herkkä. Sen pääasiallinen merkitys on siinä, että heikkokin signaali Virgossa LIGOn signaalien lisäksi auttaa paikallistamaan gravitaatioaallon lähteen taivaalla, mikä on tärkeää sähkömagneettisten signaalien tarkkailemista varten.

      Havainnollinen kuva LIGOn, Virgon ja KAGRAn herkkyyden (mikä määrää sen, kuinka kaukaa tulevia signaaleja ne näkevät) kehityksestä ajan myötä:

      https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20220123

  5. miguel sanoo:

    Tähän ihan löyhästi liittyen (eli ei liity mitenkään) on yksi immunologian artikkeli Sciencessä, jonka otsikko kaduttaa, etten sitä keksinyt. ”Express yourself or die”. Liittyy siis solujen biologiaan. Taitaa liittyä nykyään moniin tieteisiin. Varmaan poikkeukset löytyvät muualta kuin luonnontieteistä, mikä olisi tärkeä oivaltaa kylläkin.

    https://www.science.org/doi/10.1126/science.7863341

  6. Martti V sanoo:

    Milloinkohan herkkyys riittää gravitaatiotaustan havaitsemiseen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tarkoitatko inflaation aikana syntyneen gravitaatiotaustan? Sen havaitsemisessa ongelmana ei ole herkkyys inflaation synnyttämien gravitaatioaaltojen voimakkuus on noin 10^16 kertaa isompi kuin musta-aukko-parien. Mutta niiden aallonpituus on kosmologista mittaluokkaa, joten niitä ei voi havaita tällaisilla laitteilla, joiden koko on paljon pienempi kuin niiden aallonpituus.

      1. Martti V sanoo:

        Jos olisi mittauslaitteet aurinkokunnan vastapuolilla olisiko inflaatiosta lähteneet aallot vielä havaittavissa?

  7. Antti sanoo:

    eli tarvisiko olla 1000 AU (linnunradan kokoinen halkaisijaltaan oleva) hiukkakiihdytin että maailmankaikkeuden pienimmät
    asiat tulisivat näkyviin ? gravitonit ym jos semmonen on olemassa ylipäätään

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Emme tiedä, mikä on raskaimpien olemassa olevien hiukkasten massa. Mitä isompi massa, sitä enemmän energiaa niiden tuottamiseen tarvitaan, eli sitä isompi hiukkaskiihdytin. Mutta on toki muitakin tapoja luodata korkeita energioita, kuten inflaatio.

      Gravitoneista, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/painon-valittajasta/

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Kellojen verkko

16.5.2023 klo 17.58, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Nathaniel Sherrill Sussexin yliopistosta Iso-Britanniasta puhui toissaviikolla Helsingin yliopiston fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarissa atomikelloista. (Tieteellinen artikkeli aiheesta täällä.)

Atomikellojen idea on yksinkertainen. Jokainen atomi värähtelee ja lähettää valoa vain tietyillä sille ominaisilla taajuuksilla. Valon taajuus osataan mitata erittäin tarkasti, atomien tapauksessa miljardisosan miljardisosan tarkkuudella. Atomien värähtely on tarkin tapa mitata aikaa: ajan yksikkö sekunti on määritelty cesium-atomin lähettämän valon taajuuden avulla. Atomikello jätättää vain noin sekunnin kymmenessä miljardissa vuodessa, toisin sanoen sekunnin kymmenesmiljardisosan vuodessa.

Koska atomin lähettämän valon taajuus on tunnettujen fysiikan lakien mukaan aina sama, sen muutos on viesti tuntemattomasta. Niinpä atomikellot ovat uuden fysiikan herkkiä mittareita.

Atomit koostuvat protonien ja neutronien muodostamasta ytimestä sekä siihen sähkömagneettisen vuorovaikutuksen sitomista elektroneista. Siksi atomin taajuudet riippuvat neutronien ja protonien massojen suhteesta elektronin massaan sekä sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuudesta. Koska eri atomiytimissä on eri määrä protoneita ja neutroneita, niiden taajuus riippuu näistä tekijöistä eri tavoin, joten erilaisten atomien mittaaminen antaa erilaista tietoa mahdollisista muutoksista.

Sherrill on mukana verkostossa QSNET, joka tarkkailee, muuttuvatko atomien taajuudet ajan myötä. Toistaiseksi QSNET on mitannut cesium-, strontium- ja ytterbium-atomeita, ja se on laajentamassa kokeita neljään muuhun atomiin.

Protonien, neutronien ja elektronien massat ja sähkömagnetismin voimakkuus voivat muuttua, jos ne vuorovaikuttavat jonkin kentän kanssa, joka muuttuu ajassa. Kaikkialla avaruudessa on Higgsin kenttä, joka antaa massat tunnetuille hiukkasille. (Paitsi kenties neutriinoille, niiden massojen alkuperästä ei ole varmuutta.) Jos Higgsin kenttä muuttuisi ajassa, niin myös hiukkasten massat muuttuisivat. Higgsin kenttä ei kuitenkaan nykyaikoina muutu mihinkään, vaan istuu paikoillaan.

On mahdollista, että on olemassa muita samantyyppisiä kenttiä, joiden kytkentä näkyvään aineeseen on heikompi, mutta jotka muuttuvat nopeammin. Yksi motivaatio on se, että tällainen kenttä voisi olla pimeää energiaa, jolla selitetään maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymistä. Myös pimeän aineen ehdokas nimeltä aksioni voi vaikuttaa hiukkasten massoihin.

Cesiumiin liittyy SI-yksikköjärjestelmässä hauska yksityiskohta. Jos huomattaisiin, että sen atomien lähettämän valon taajuus pienenee ajan myötä, olisi väärin sanoa että cesium-atomit värähtelevät hitaammin. Tämä johtuu siitä, että ajan yksikkömme perustuu niiden värähtelyyn. Sen sijaan pitäisi sanoa, että aika kulkee hitaammin. Asioiden muutosta voi mitata vain suhteessa muihin asioihin: koska ei ole mitään atomikelloja tarkempaa, kaikkia muita tapahtumia mitataan suhteessa niihin.

Toistaiseksi QSNET ei ole nähnyt mitään muutosta. Tämä rajoittaa sitä, miten vahvasti joku tuntematon kenttä voi vaikuttaa tunnettuihin hiukkasiin ja miten nopeasti se voi muuttua. Tulokset perustuvat kahden viikon mittaukseen. Mittausjakson pidentäminen ja eri atomien ottaminen mukaan parantaa tarkkuutta lähivuosina kymmenentuhatkertaiseksi.

Pidemmän aikavälin muutoksia on luodattu Maassa Oklossa, missä oli kaksi miljardia vuotta sitten luonnollisesti syntynyt ydinreaktori, jonka reaktiotuotteita voidaan nyt tarkastella. Taivaalla muutosta on etsitty miljardien valovuosien päästä tulevan valon aallonpituudesta. Tällaisten mittausten tarkkuus jää kuitenkin kauas siitä, mikä laboratorio-olosuhteissa saavutetaan.

QSNETin koe on samaa hiukkasfysiikan halpalaaria, josta kirjoitin edellisessä merkinnässä, eli hinta mitataan miljoonissa. Toisaalta kokeella ei ole varmaa kohdetta, eli ei ole taetta, että mitään näkyy vaikka tarkkuus paranee. Voi sanoa, että tämä havainnollistaa sitä, miten hyvin ymmärrämme maailmankaikkeutta, ja miten suurella tarkkuudella hiukkasfysiikan Standardimalli ennustaa hyvin erilaisten havaintojen tuloksia. Tieteen edistys ei rakennu aiemman päälle kuin torni, vaan tieto muodostaa verkon, jossa yksi säie ei ratkaise, jonka osat tukevat toisiaan.

17 kommenttia “Kellojen verkko”

  1. Antti sanoo:

    ” Higgsin kenttä, joka antaa massat tunnetuille hiukkasille. (Paitsi kenties neutriinoille, niiden massojen alkuperästä ei ole varmuutta.)”

    Onko neutroonien massasta tulossa aihetta tai tai ovatko tutkijat päässeet lähemmäs selitystä mistä niiden massa
    voisi tulla.jos higgs ei sitä selitä ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Olen kirjoittanut neutriinoista hieman merkinnöissä, jotka on linkattu tuossa virkkeessä.

      Neutriinoiden massoja on tutkittu paljon. Tavallisin selitys on se, että neutriinoilla on massaa omasta takaa. Tämä ei ole mahdollista muille Standardimallin hiukkasille kuin Higgsille ja neutriinoille, ja neutriinoillekin vain jos niitä on enemmän kuin kolme tunnettua lajia, aiheesta hieman täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/

      Voi olla, että palaan vielä neutriinoiden massoihin.

  2. Pauli sanoo:

    Jatketaan ajatusleikkiä atomin sisäisen värähtelyn ja pimeän energian välisestä yhteydestä:
    Jos osa massasta on sitoutuneena atomiytimen sisäiseen värähtelyyn, niin miten hyvin ja millä mekanismeilla se voisi välittyä viereisiin atomiytimiin? Onko atomin ydin täydellinen termospullo? Painavatko alkuräjähdyksestä asti yksin seilanneet vety-ytimet saman verran kuin vaikka Auringon sisällä olevat seurallisemmat sisaruksensa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En ole varma mitä massaa tarkoitat. Atomiytimien massasta joitakin prosentteja on sidosenergiaa – tämä on se osa, joka voidaan vapauttaa ydinreaktioissa. Silloin kun atomiytimet ovat lähellä, niiden sisärakenteet tosiaan puhuvat toisilleen (eli ydin ”vuotaa” jos sitä kysyt), tämä tunnetaan nimellä ydinvuorovaikutus (tai ydinvoima).

      Tämä ei kyllä liity pimeään energiaan.

      Vety-ytimien (eli protonien) massa on tunnetun fysiikan mukaan sama kaikkialla. Jos pimeän energian kenttä vaikuttaisi protonien massoihin, ne voisivat periaatteessa olla hieman erilaisia tähdissä ja vapaana avaruudessa, koska pimeän energian kenttä voisi olla erilainen. Ainakin sähkömagnetismin voimakkuuden kohdalla tällaista ilmiötä on tutkittu, kenties myös elektronin ja protonin massan suhteen kohdalla.

  3. Merry sanoo:

    Eikö atomi menetä energiaa, kun se lähettää valoa, kuten tässä kerrottiin? Mitä tapahtuu, kun atomi menettää tällä tavoin kaiken energiansa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Menettää. Atomilla on perustila, jossa se ei enää voi lähettää valoa. Sekunnin määrittely perustuukin juuri sellaisen valon aallonpituuteen, jota cesium-atomi lähettää siirtyessään perustilaan tilasta, jolla on hiukan isompi energia.

      Kysymys siitä, miten atomi voi olla stabiili, oli muuten keskeinen kehitettäessä kvanttimekaniikkaa viime vuosisadan alkupuolella.

  4. Joksa sanoo:

    Miten oikeastaan on mahdollista sanoa cesium-kellon jätättävän lainkaan, eikö olekaan niin että aika hidastuu sen verran kuin cesium-kello ’jätättää’? Onko jollain käytössään tätä parempi absoluuttinen aika vai muuttuuko cesium-atomin rakenteessa jokin ajan myötä?
    Cesium-atomien värähtelyyn perustuen varmaan voidaan määrittää mistä aikaskaalamme on alkanut, mutta voidaanko tuon ajankohdan katsoa mitenkään aidosti määrittävän ajan alkamista?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mitataan cesium-atomien lähettämän valon taajuutta tai yhtäpitävästi aallonpituutta eri aikoina. Jos se on erilainen eri aikoina, taajuus on muuttunut, eli ajan yksikkö on muuttunut. En tunne koejärjestelyjen yksityiskohtia.

      Ajan yksikön valinta ei liity ajan alkuun millään tapaa.

      1. Joksa sanoo:

        Sekunti määritellään SI:ssä tiettynä määränä (9 192 631 770) cesium 133-atomin häiritsemättömän perustilan ylihienorakennesiirtymää. Kun tuo määrä värähdyksiä tulee täyteen niin kulunut aika on sekunti. Ajanmittausjärjestelmässä on siis loogisesti mahdotonta että cesium 133-atomin värähtelytaajuus muuttuisi, aika on siis se joka joustaa jos muutosta tapahtuu.

        Cesium-kellon jätättämisasian taustaa tarkemmin tuntematta sen voisi arvailla voivan johtua vaikkapa siitä että olosuhteet maan päällä eivät aivan täysin vastaa häiritsemätöntä perustilaa. Olisiko jollain mahdollisesti tarkempaa tietoa?

        Atomikellojen taajuusmuutoksia tutkittaessa tarvittanee aikareferenssi johon hypoteesina olevat muutostekijät eivät vaikuttaisi. Ei oikein riittänyt sinni kahlata tietoa alkuperäisestä selosteesta.

  5. Joksa sanoo:

    Edelleen tarkentaen, SI sekunti määrittää standardi itseisaikaa maassa, pätee maan lähiympäristössä mittakellojen kanssa samassa liike- ja gravitaatiotilassa. UTC perustuu 260 atomikellon keskiarvoon 49 paikassa, USA:n standardiajan määrityksessä käytetään myös vetymaserkelloja (Hart-Davis 2011). Varmaan melko mielenkiintoinen prosessi tuollaisen määrän eri paikoissa sijaitsevien atomikellojen reaaliaikaisen keskiarvon muodostaminen.

    Termi ’jätättäminen’ antaa ymmärtää että virhe voi olla vain käyntiä hidastava, onko niin että cesium-kello ei voi edistää? Virheen lähteen etsimminen liittyy blogin aiheeseen, voisi kai johtua myös kvanttiepämääräisyyksistä tai satunnaisiin gravitaatiohäiriöihin tms?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä cesium-kellot voisivat myös edistää. Virheiden hallinta on toki keskeinen osa mittausta. Kellojen tarkkuus on lähellä kvanttikohinan rajaa, mutta en osaa kommentoida asiaa tarkemmin. Vaikka Maan gravitaatiosta johtuva taajuuden muutos on selvästi mittaustarkkuuden rajoissa, luulen että sen muutos ajassa on niin pieni, että sillä ei ole merkitystä.

      Sivumennen muuten mainittakoon, että hiukkasfyysikot (eivät myöskään tähän tutkimukseen osallistuneet teoreeti) eivät käytä SI-järjestelmää, eli heidän yksikköjärjestelmässään cesium-atomin taajuus voi pienentyä.

      1. Eusa sanoo:

        Jos Cesiumin virityksen emission ja mittausabsorption väli on sen verran pitkä, että gravitaatio ehtii vaikuttaa, voihan mitata sekä ylös että alas suuntautuen.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          En ymmärrä mitä tarkoitat. Gravitaation muutos ei kuitenkaan liene mittauksessa merkittävä.

  6. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Siis ajan mittaus perustuu stabiilin Cs-133-isotoopin värähtelytaajuuteen. Jos tähän jokin kenttä tai muu tekijä vaikuttaa, niin kuinka se voisi olla vaikuttamatta mittalaitteen atomien värähtelytaajuuksiin?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Koska eri atomien koostumus on erilainen, niiden taajuus muuttuisi eri tavalla.

  7. Esa Könönen sanoo:

    Tiedän, ehkä kysymykseni Syksylle ovat ”booring” koska en ole kosmologi eikä minun kykyni ”opistoinssinä” riitä näihin juttuihin alkuunkaan. Esimerkiksi mikään syvällisempi matematiikka on minulle täysin mahdotonta. Mutta ehkä voisit vastata tavallaan ”tavisjärjellä” kahteen minua ihmetyttävään asiaan. Älä siis todellakaan vastaa liiaan monimutkaisesti. Kyssäri yksi: Josssain joku väitti että tämän universumin rajat katoavat yli valon nopeuden johtuen oudosta ”pimeästä energiasta”. Ok…univesrumi laajenee selkeästi oikeiden havaintojen kautta. Mutta eihän valon nopeutta voi mikään ylittää ? Toinen kyssäri on tämä: kun tuota tyhjyyttä syntyy tyhjyyteen ja universumi laajenee koko ajan, niin miksi väitetään että sitä tyhjyyttä tyhjyteen tulee vain galaksien väliseen avaruuteen ? Miksei minun keittiöön ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En välttämättä vastaa kysymyksiin, jotka ovat liian kaukana merkinnän aiheesta. (Tämä myös kommenttina kysymyksiin, joita ei ole julkaistu.)

      Sanon vain lyhyesti, että maailmankaikkeus laajenee eri tahdilla eri paikoissa (Linnunradan sisällä ei ollenkaan). Toisekseen, maailmankaikkeuden laajeneminen ei välitä informaatiota: olipa laajeneminen kiihtyvää tai ei, tarpeeksi kaukana olevat pisteet etääntyvät toisistaan nopeudelle, joka on valoa nopeampi.

      Ei tästä tämän enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Naparetki

27.4.2023 klo 15.04, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Hiukkasfysiikan Standardimalli täyttää tänä vuonna 50 vuotta.  Vuonna 1973 Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa laittoivat paikalleen viimeisen teoreettisen palan ennustaessaan, että on olemassa top-kvarkki. Top löydettiin hiukkaskiihdytinlaboratorio Fermilabissa vuonna 1995. Sen jälkeen ainoa puuttuva kokeellinen osa oli Higgsin hiukkanen, joka löydettiin CERNissä vuonna 2012.

Seuraavaksi pitää mennä Standardimallin tuolle puolen. Pitkään hiukkaskiihdyttimet johtivat uuden fysiikan etsimistä, mutta viime aikoina niissä ei ole löytynyt uutta. Mielenkiinto siirtyy yhä enemmän maan alta taivaankannelle.

Yksi iso kysymys on se, miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antiainetta. Tämä epäsuhta on voinut syntyä Higgsin hiukkasen jäätyessä paikalleen maailmankaikkeuden täyttäessä sekunnin miljardisosan sadasosan. Jos näin on, niin vuonna 2037 laukaistavaksi kaavailtu kolmen satelliitin gravitaatioaalto-observatorio LISA saattaa nähdä tuossa mullistuksessa syntyneitä gravitaatioaaltoja.

Kalliiden kiihdytinten ja satelliittien lisäksi on edullisiakin vaihtoehtoja. Yksi esimerkki on pimeää ainetta etsivät kokeet, joiden hinta on miljoonia euroja miljardien sijaan. Samaan sarjaan menee neutronin sähköisen dipolimomentin mittaaminen.

Neutroni on hiukkanen, joka koostuu kolmesta kvarkista. Näiden kolmen kvarkin sähkövarausten summa on nolla, eli neutronilla kokonaisuutena ei ole sähkövarausta. Mutta koska kvarkit eivät ole jakautuneet tasaisesti neutronin sisällä, neutronin sisällä olevia varauksia on mahdollista havaita.

Tilanne on samanlainen kuin vetyatomissa, missä protonilla ja elektronilla on yhtä suuret mutta vastakkaismerkkiset varaukset. Mutta sen sisällä olevat varaukset vuorovaikuttavat ulkomaailman kanssa, koska elektronit ovat protonia ulompana.

Yksinkertaisin epätasaisesti jakautuneiden sähkövarausten vaikutus on nimeltään dipoli, suomeksi siis kaksinapainen. Kahden yhtä ison mutta vastakkaismerkkisen varauksen dipoli on sitä suurempi mitä isompia varaukset ovat ja mitä kauempana ne ovat toisistaan. Karkeasti sanottuna varausten välimatkaa isommalla etäisyydellä dipoli näyttää nollavaraukselta, mutta tarkemmin katsoessa huomaakin, että on sähkökenttä.

Neutronissa on kolme varausta, mutta idea on sama. Koska kvarkit poukkoilevat neutronissa ympäriinsä, odottaisi, että neutronin dipolimomentti olisi suunnilleen niiden varaus kertaa neutronin koko. Ensimmäinen mittaus neutronin dipolimomentista julkaistiin vuonna 1957. Kokeen herkkyys oli kymmenentuhatta kertaa niin iso kuin tuo arvioitu suuruus, mutta mitään ei havaittu. Tämän hetken tiukimman mittauksen on tehnyt nEDM-koeryhmä, joka julkisti tuloksensa toissavuonna. Kokeiden herkkyys on kasvanut 70 vuodessa miljoonakertaiseksi, mutta vieläkään dipolimomenttia ei ole näkynyt.

Tulos oli itse asiassa molemmilla kerroilla odotettu, mutta eri syistä. Alkuperäisen kokeen tekijät eivät kuuteen vuoteen edes julkaisseet mittauksiaan, koska 1950-luvun alussa yleisesti luultiin, että fysiikan lait eivät muutu jos maailman vaihtaa peilikuvakseen. Jos tämä pitää paikkansa, neutronin dipolimomentti on nolla, koska muuten se vaihtaisi suuntaa kun avaruuden peilaa, eivätkä maailma ja sen peilikuva näyttäisi samalta.

Vuonna 1956 kuitenkin osoitettiin kokeellisesti, että maailma ja sen peilikuva käyttäytyvät eri tavalla. Niinpä dipolimomenttikokeen tekijät katsoivat tuloksensa julkaisemisen arvoiseksi. Tämä on esimerkki siitä, miten teoreettiset ideat voivat vaikuttaa sekä haitallisesti että hyödyllisesti siihen, millaisia kokeita pidetään tekemisen arvoisina.

Nyt odotetaan teoreettisten laskujen nojalla, että neutronilla tosiaan on dipolimomentti. Miksi sitä ei ole löytynyt? Tämä on yksi Standardimallin teoreettinen ongelma: miksi neutronin dipolimomentti on niin pieni?

Dipolimomenttiin vaikuttaa Standardimallissa eniten yksi vuorovaikutus, ja tuota vuorovaikutusta on vaikea havaita millään muulla tapaa kuin dipolimomenttia mittaamalla. Niinpä dipolimomentin pienuuden voi selittää vain sanomalla, että tuo vuorovaikutus onkin ainakin kymmenen miljardia kertaa heikompi kuin mitä odottaisi. Tätä selittämään on kehitetty aksioneiksi nimetyt hiukkaset. Aksioneilla haluttiin aluksi vain säätää tuo vuorovaikutus pois, mutta niistä sittemmin tuli suosittu ehdokas pimeäksi aineeksi.

Jos tuon yhden vuorovaikutuksen painaa nollaksi tavalla tai toisella, jäljelle jäävä Standardimallin ennuste neutronin dipolimomentille on miljoona kertaa nykyistä herkkyyttä pienempi. Mittausten pitäisi siis parantua huomattavasti ennen kuin olisi mitään toivoa nähdä sitä. Tämä on erinomaista, koska se tarkoittaa, että dipolimomentti on siisti tapa mitata Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa.

Monissa mittauksissa, kuten pimeän aineen etsinnöissä, ongelmana on se, että monet asiat voivat tuottaa samanlaisen signaalin. Kun taivaalla näkyy röntgensäteitä, tulevatko pimeän aineen hajoamisesta vai hehkuvista atomiytimistä? Mitä heikompaa on tunnettujen lähteiden kohina, sitä helpompi on havaita tuntemattoman fysiikan signaali.

Mitä tuo tuntematon fysiikka neutronin dipolimomentin kohdalla sitten olisi? Tässä vaiheessa mukaan kuvaan tulee Kobayashin ja Maskawan työ. He ennustivat, että top-kvarkki pitää olla olemassa, jotta fysiikan lait olisivat erilaisia kun maailma muuttuu peilikuvakseen ja hiukkaset ja antihiukkaset vaihdetaan toisikseen. Tämä ehto on taasen edellytys sille, että saadaan aikaan havaittava aineen ja antiaineen epäsuhta. Standardimallissa tämä epäsuhta tosin sittemmin osoittautui liian pieneksi, eli tarvitaan uutta fysiikkaa. Uusi fysiikka, joka pystyisi saamaan aikaan aineen ja antiaineen epäsuhdan Higgsin jäätymisen aikoihin myös kasvattaisi neutronin dipolimomenttia.

Yksi esimerkki on supersymmetria. Supersymmetriset laajennukset Standardimalliin ennustivat ennen LHC:n käynnistymistä, että neutronin dipolimomentti on tyypillisesti noin sata kertaa nykyistä ylärajaa isompi. Mutta se, että LHC ei ole nähnyt supersymmetriaa laski neutronin dipolimomentin ennusteen ylärajan suunnilleen nykyisen kokeellisen ylärajan kohdalle. Tässä mielessä nEDM olisi voinut nähdä jotain, mutta ei ollut yllätys, että niin ei käynyt.

nEDM-ryhmä puuhaa jatkokoetta nimeltä n2EDM, jonka on määrä ruveta pian tekemään mittauksia. (Tässä aiheesta tehty videoteos.) n2EDM parantaa herkkyyttä tekijällä kymmenen. Myös muut kokeet mittaavat sekä neutronin että muiden hiukkasten sähköisiä dipolimomentteja yhä tarkemmin.

Ei ole syytä odottaa, että juuri n2EDM:n tekijän kymmenen parannus olisi ratkaiseva. Mutta jossain vaiheessa havaintojen herkkyys voi ylittää uuden fysiikan löytämiseen tarvittavan rajan, ja tämä voi tapahtua isoissa tai pienissä kokeissa. Tutkijat ovat retkikunta, joka etenee askel askeleelta, ja matka voi kulkea pitkään halki tyhjän maaston.

12 kommenttia “Naparetki”

  1. Mika sanoo:

    Tämä ei varsinaisesti liity suoraan blogin aiheeseen, mutta jos tätä lukee joku tästä verkkosivusta vastaava, niin haluaisin nostaa esiin että sekä Chrome että Edge -selaimilla linkkien väritys on niin lähellä tekstin muuta väriä, että niitä on vaikea erottaa tekstin keskeltä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos. Kannattanee laittaa viesti vaikka osoitteeseen ursa@ursa.fi, sieltä mennee eteenpäin.

  2. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”Vuonna 1956 kuitenkin osoitettiin kokeellisesti, että maailma ja sen peilikuva käyttäytyvät eri tavalla. Niinpä dipolimomenttikokeen tekijät katsoivat tuloksensa julkaisemisen arvoiseksi. Tämä on esimerkki siitä, miten teoreettiset ideat voivat vaikuttaa sekä haitallisesti että hyödyllisesti siihen, millaisia kokeita pidetään tekemisen arvoisina.”

    Siis tutkimuksen tulos on julkaisemisen arvoinen, jos se on odotettu? Eli mitään uutta ei löydetty! Tätä voi kutsua myös nollatutkimukseksi. Jokaisen kokeen takana on teoreettinen idea, muutenhan koe olisi vailla mieltä. Ja oikein suunnitellun ja suoritetun kokeen pitäisi vahvistaa tai kumota sen takana oleva idea. Neutronin dipoolimomentin mittauksen vaikeus voi johtua tietenkin mitattavan pienuudesta, mutta myös siitä, että siihen liittyvä dynamiikka on liian nopeaa, jolloin nähdään vain aikakeskiarvo!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kun mittaa asiaa, josta ei ole varma teoreettista ennustetta ja jota ei ole aiemmin mitattu, niin tulos on julkaisemisen arvoinen riippumatta siitä, löytyykö jotain vai ei.

      Juurikin neutronin sähköinen dipolimomentti (kokeessa käytettävän sähkökentän voimakkuuden kanssa) määrää sen, miten nopeasti neutroni pyörii, mikä on se, mitä kokeessa mitataan. Jos pyöriminen on niin nopeaa, että sitä ei nähdä, tämä asettaa ylärajan sähköiselle dipolimomentille.

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Satunnaislukugeneraattorin tehtävä on antaa satunnaislukuja ja on siten ennustettava, mutta ei itse lukujen julkaisemisessa ole mitään järkeä. Ellei ole teoreettista ennustetta eikä edes testattua menetelmää, niin tilanne on vielä huonompi kuin satunnaislukugeneraattorin tapauksessa!

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Uusien havaintojen myötä löytöjä on usein tehty sieltä, mistä niitä ei ole osattu teoreettisesti odottaa.

          Neutronin dipolimomentin mittaamiseen käytetyt menetelmät ovat luotettavia.

          Tämä riittäköön tästä.

  3. A.Reynolds sanoo:

    Kiitoksia näistä blogeista, ovat erittäin mielenkiintoista luettavaa näin maallikonkin näkökulmasta!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, mukava kuulla!

  4. Lasse Reunanen sanoo:

    Luin tekstisi ja siitä mieleeni tuli muutama vertaus.
    En atomin yksityiskohdista paljon muuta tiedä kuin ne kokeiden
    tuomat nimet hiukkasista (niitäkään en ulkoa osaisi sanoa oikein).
    Kerroit neutronin hiukkasen koostuvan kolmesta kvarkista ja
    niiden summana nollana dipolimomentissa (ei mittauksin tarkennettu),
    joka dipoli kaksinapaisuutta.
    Kolmen kvarkin kooste kuitenkin yli kaksitahosta – vaikka sen muotoa
    kenties voi sinikäyrältä saada kahteen tasoonkin (plus ja miinus puolin).
    Sähköstä mieleeni siten 3-vaiheinen moottori, joissa rautasydän käämitetty
    kolmelle vaiheelle (paristoissa vain 1-vaiheisuus, plus- ja miinusnapoineen)
    ja niiden summana nolla – sähkön kiertäessä käämeissä eri vaiheissa
    siirtyy magnetismi rautasydämessä ympyrää, pyörittäen sähkömoottorissa
    roottoria liike-energiaan.
    Voisi siten ehkä ajatella, että em. neutronin kvarkit myös olisivat jossain
    vaiheistetussa kiertoliikkeessä – summanaan se tulkittu nolla.
    Kiertoliike neutronin sisällä olisi kuitenkin jakaantunut pallotasoille
    (ei tasaradalle kuten em. sähkömoottori vertauksessani),
    hieman niin kuin pallomaisissa tähtijoukoissakin useampia tähtiä kerääntynyt
    tiiviiksi paketiksi isossa mittakaavassa. Näin siis tulkitsin mielikuvanani tekstiä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kvarkeilla on monimutkainen jakauma neutronin sisällä. Lisäksi neutronin rakenteessa pitää ottaa huomioon hiukkaset nimeltä gluoni, jotka välittävät vahvaa vuorovaikutusta, joka sitoo kvarkit neutroniksi. Nekin vaikuttavat neutronin ominaisuuksiin.

      1. Lasse Reunanen sanoo:

        Hyvä että tarkensit kvarkeille gluonin – jolla sitten sitä kaksinapaisuuttakin tasan olisi.
        Sähkömoottorin vertauksessani myös neljäs yhteys kolmelle vaiheelle – nollajohdin,
        joka käämien loppupäissä yhdistyy ja johtaa maadoituksella avoimeen kuparijohtoon
        maahan – joka nollan maadoitus sähkölaitteista rakennuksissa
        (siihen yhdistyy myös lyhyet suojamaadoitukset metallisista runko-osista vikasuojauksena).
        Ihmisetkin kemiallisesti ja hermoverkostonsa sähköyhteyksin eräänlaisia koneistuksia,
        jotka myös sähköä esim. salamaniskut johtaa maahan ja siten vastuksina kuumentuu.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Neutronin sähköiseen dipolimomenttiin vaikuttavat siis neutronin osaset, eli kvarkit ja gluonit. Tämä riittäköön tästä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Vaikutusvaltaa

18.4.2023 klo 22.05, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Fysiikan tekemisen ja popularisoinnin välillä on iso kuilu. Tämä ei koske vain sitä, miten yksityiskohtaisesti puhutaan, vaan myös sitä, millä käsitteillä ajatellaan. Joistakin käsitteistä, jotka ovat fyysikoiden arjessa keskeisiä mainitaan popularisoinnissa vain harvoin.

Yksi tällainen käsite on vaikutus – englanniksi action, suomenkielisten fyysikkojen suussa yleensä aktio. Se on lyhyt, rivin tai parin mittainen, matemaattinen lauseke, joka määrittää teorian tiiviisti ja täsmällisesti. Vaikutus kertoo millaisia hiukkasia, kenttiä tai muita olioita teoria sisältää, millainen aika-avaruus siinä on, miten ne vuorovaikuttavat, ja mitä symmetrioita siinä on – kaiken mitä fyysikko tarvitsee. Vaikutus tarjoaa myös tien klassisesta fysiikasta kvanttifysiikkaan, ja sen avulla on ymmärretty klassinen fysiikan paremmin kvanttifysiikan rajatapauksena.

Lienee helpointa selittää esimerkin avulla, mistä vaikutuksessa on kysymys. Ajatellaan klassisen fysiikan hiukkasta, joka liikkuu avaruudessa vapaasti vuorovaikuttamatta minkään kanssa. Hiukkasella on liike-energia, joka on sitä isompi, mitä nopeammin se liikkuu. Tässä tapauksessa vaikutus saadaan, kun lasketaan yhteen liike-energia jokaisena ajanhetkenä.

Vaikutuksesta voidaan selvittää miten hiukkanen liikkuu. Erilaisiin liikkeisiin liittyy erilainen liike-energia, ja hiukkasen todellinen rata on sellainen, jolle vaikutus on mahdollisimman pieni. Jos hiukkanen ei ole vapaa, vaan vuorovaikuttaa toisten hiukkasten kanssa, niin vaikutus on liike-energia miinus vuorovaikutukseen liittyvä energia, laskettuna yhteen kaikkina ajanhetkinä. Hiukkasten radat saadaan taas selvittämällä, milloin vaikutus on mahdollisimman pieni.

Jokseenkin kaikilla fysikaalisilla järjestelmillä on vaikutus, joka kertoo millaisia ne ovat. James Maxwellin löytämän klassisen sähkömagnetismin vaikutuksen kirjoittaa paperille 30 sekunnissa. Siinä lasketaan yhteen sähkö- ja magneettikenttien arvoja ei vain kaikkina ajanhetkinä vaan myös kaikkialla avaruudessa, ja kentät käyttäytyvät siten, että tämä summa on pienin mahdollinen.

Vaikutuksen avulla on helppo esittää uusia teorioita: kestää 10 sekuntia kirjoittaa sähkömagnetismin vaikutukseen yksi termi lisää, joka muuttaa kenttien käytöstä. Vaikeampaa on keksiä, millaiset muutokset ovat kiinnostavia. Uudet hiukkasfysiikan teoriat määritellään juuri vaikutuksen avulla, ja Standardimallin vaikutukseen on tehty satoja erilaisia lisäyksiä, joista mitään ei ole saatu kokeellisesti varmennettua.

Vaikutus keksittiin 1700-luvulla, ja se osoittautui käteväksi laskemisen, viestinnän ja ajattelun välineeksi. Pitkään oli kuitenkin epäselvää, miksi tällainen liike-energian ja vuorovaikutusenergian erotuksen summaaminen kertoo jotain todellisuudesta. Lopulta kvanttimekaniikka selitti asian 1900-luvulla.

Kvanttimekaniikan mukaan hiukkasella ei ole määrättyä paikkaa, on vain todennäköisyys löytää se eri paikoista. Asian voi nähdä niin, että hiukkanen voi kulkea millä tahansa radalla, ja eri radoilla on eri todennäköisyys. Richard Feynman osoitti, että vaikutus kertoo kunkin radan todennäköisyyden. Mitä pienempi vaikutus, sitä todennäköisempi rata.

Kvanttifysiikan näkökulmasta kappaleet näyttävät siis liikkuvan klassisen fysiikan mukaisilla radoilla, koska sellaisten ratojen todennäköisyys on isoin. Ne voivat liikkua myös muilla radoilla, mutta mitä enemmän reitti poikkeaa klassisen fysiikan radasta, sitä pienempi on sen todennäköisyys. (Kvanttifysiikan ja klassisen fysiikan tarkka suhde on monimutkainen asia, jota ei ymmärretä tarkkaan.)

Kvanttimekaniikan muotoileminen uudelleen vaikutuksen avulla oli yksi Feynmanin merkittäviä saavutuksia. Se oli vaikutusvaltainen läpimurto, joka helpotti erilaisten järjestelmien –oli kyseessä hiukkanen tai sähkökenttä– kuvauksen yleistämistä klassisesta fysiikasta kvanttifysiikkaan.

Pitää vain kirjoittaa paperille klassisen fysiikan vaikutus, ja sen sijaan että poimittaisiin vain se hiukkasen rata tai kentän kehitys, jolla vaikutus on pienin, siitä lasketaan todennäköisyys kaikille radoille tai kentän kehityksille. Tämä oli avain ensimmäisen kvanttikenttäteorian, kvanttielektrodynamiikan, löytämiseen vuonna 1948.

Myös aika-avaruutta kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian voi esittää vaikutuksen avulla. Jos vaatii, että yksinkertaisin aika-avaruutta kuvaava vaikutus on mahdollisimman pieni, saa juuri ne yleisen suhteellisuusteorian lait, joiden mukaan aika-avaruus todella käyttäytyy.

Vaikka kvanttigravitaatioteoriaa ei ole vielä löydetty, vaikutuksen menestys vihjaa siihen, että yleisen suhteellisuusteoriankin taustalla on kvanttiteoria, jossa aika-avaruus ei ole määrätty, vaan se on sekoitus erilaisia mahdollisuuksia, joista yleisen suhteellisuusteorian mukainen aika-avaruus on todennäköisin.

15 kommenttia “Vaikutusvaltaa”

  1. Matti Pussinen-Eloranta sanoo:

    Kiitos tosi paljon, tätä voi soveltaa muuallekkin, kaivattu tällasta tekstii.

  2. Käsittääkseni kvanttiteoriassa radat ovat keskenään yhtä todennäköisiä koska painokertoimena on vaihetekijä eli kompleksiluku, jonka pituus on yksi (ja kompleksiluvun vaihe on vaikutus). Kuitenkin jos systeemi on iso ja kun radat summataan, summan arvoon vaikuttaa lähinnä klassinen rata, kuten merkinnässä todettiin. Syynä on Riemann-Lebesguen lemma, tai se on ainakin yksi tapa ymmärtää asiaa.

    Yritin jossain vaiheessa penkoa detaljoidummin, miten tämä toimii matemaattisesti, ja erityisesti miten klassinen kaaos (eli tilanne jossa klassiset polut haarautuvat alkuarvoherkästi) nousisi esiin polkuintegraalista. En löytänyt kovin paljon – Chaichianin laaja kirja on olemassa, mutta en sieltäkään löytänyt kovin eksakteja vastauksia.

    Joka tapauksessa minusta tuntuu että tämä aihepiiri on maailmankuvallisesti fysiikan ydintä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Asia ei ole ihan noin, koska vaikutus ei painota todennäköisyyksiä, vaan todennäköisyysamplitudeja (tässä suhteessa kirjoitukseni oli ehkä liian yksinkertaistettu).

      Yhteen summattaessa joka termille tulee erilainen vaihe – vaihe on summassa merkityksetön vain jose se on kaikille termeille sama. Mitä isompi vaikutus, sitä nopeammin todennäköisyysamplitude oskilloi, joten sitä pienempi on integraalin arvo. (Vrt. deltafunktion esitys raja-arvona termistä sin(kx)/x, kun k menee äärettömään.)

      1. Radan r todennäköisyysamplitudi on verrannollinen tekijään exp(i*S[r]) missä S on vaikutusfunktionaali. Näillä kompleksiluvuilla on sama itseisarvo eli ykkönen, joten siinä mielessä jokainen rata on yhtä todennäköinen.

        Mutta vaikka kaikki radat ovat yllä olevassa mielessä yhtä todennäköisiä, vain klassisen radan lähellä olevat radat interferoivat keskenään konstruktiivisesti ja muut destruktiivisesti, jos systeemi on iso ja jos havaitsija mittaa sitä (=vuorovaikuttaa systeemin kanssa) säästeliäästi niin ettei häiritse sitä liikaa. Tällöin kyseinen havaitsija näkee klassisen fysiikan lakien toteutuvan systeemissä. Hän saattaa pohtia metafyysisesti että ovatkohan klassisen radan ulkopuolella olevat radat joiden amplitudit keskimäärin kumoavat toisensa ”olemassa” vai eivät.

        Jos havaitsija mittaa tiheästi, esim. jos hän yrittää mitata systeemin tarkan radan, silloin hän tulee häirinneeksi systeemiä paljon. Tällöin hän huomaa, jos suorittaa useita mittaussarjoja, että systeemi voi mennä mihin tahansa tilaan yhtä todennäköisesti. Syynä on että havaitsijan voimakas vuorovaikutus systeemin kanssa dominoi sen käyttäytymistä. Tällöin havaitsija ei näe klassista dynamiikkaa, vaan kokee että systeemin käytös voidaan selittää satunnaisluvuilla, jotka hän itse tuli mittauksillaan generoineeksi.

  3. Alessandro sanoo:

    Hei,
    onko sinulla suositeltava kirja, jossa nuo Feynmann oivalluksia ja teoriaa ovat selitetty perustellisesti? (olen entinen fysiikko, joten matematiikka ei pelotta 🙂 ).

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En osaa suositella mitään. Itse opin ensimmäisen kerran tuosta tavasta muotoilla kvanttimekaniikkaa kurssilla, missä käytettiin Cromströmin ja Montolan kirjaa Johdatus kvanttimekaniikkaan. Sen käsittely on kuitenkin aika lyhyt, eikä klassista rajaa käsitellä ollenkaan. Itse lähtisin katsomaan kvanttimekaniikan oppikirjoista, mutta sen tiedät kertomattakin.

    2. Feyman-Hibbsin kirja http://www-f1.ijs.si/~ramsak/km1/FeynmanHibbs.pdf , luvussa 2 on esitetty polkuintegraalin perusteet.

  4. Cargo sanoo:

    ”Vaikutuksesta voidaan selvittää miten hiukkanen liikkuu. Erilaisiin liikkeisiin liittyy erilainen liike-energia, ja hiukkasen todellinen rata on sellainen, jolle vaikutus on mahdollisimman pieni.”

    Voisiko tuota vaikutusperiaatetta ymmärtää yleistettynä inertian lakina, josta tässäkin blogissa on ollut puhetta? Jos siis hiukkanen kulkee matkan X, niin liikemäärä P pyrkii säilyttämään arvonsa. Kaippa tuosta voisi jotenkin päätellä, että kun lasketaan yhteen liikemäärästä riippuva liike-energia jokaisena ajanhetkenä, niin prosessi pyrkii jonkinlaiseen minimiin. Sähkömagnetismin induktioperiaatekin voisi olla jokin tuollainen vaikutuksen minimointiongelma. Noheva filosofi voisi myös todeta, että luonto pyrkii paradoksaalisesti sekä säilyttämään oman tilansa että toteuttamaan kaikki sen vaihtoehdot.

    ”Pitkään oli kuitenkin epäselvää, miksi tällainen liike-energian ja vuorovaikutusenergian erotuksen summaaminen kertoo jotain todellisuudesta. Lopulta kvanttimekaniikka selitti asian 1900-luvulla.”

    Onko tuollainen toteaminen älyllisesti rehellistä, jos polkuintegraalissa käytetään klassisia käsitteitä?Ja miten Feynmann itse asian selitti, tuskin hän vaikutusperiaatetta omasta päästään keksi? Jostain olen lukenut, että Schrödingerin yhtälön ja sitä kautta polkuintegraalin voi johtaa epätarkkuusperiaatteen sekä tilastollisen klassisen fysiikan avulla, jolloin vaikutusperiaatteen lähteenä toimisi muna-vai-kana-tyylisesti Newtonin mekaniikka, joka taas on kokeellinen mallinnus inertian laista.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      ”Voisiko tuota vaikutusperiaatetta ymmärtää yleistettynä inertian lakina, josta tässäkin blogissa on ollut puhetta?”

      Tarkoitat varmaan blogin kommentteja. Vastaus on ei.

      ”Onko tuollainen toteaminen älyllisesti rehellistä, jos polkuintegraalissa käytetään klassisia käsitteitä?”

      Klassisessa mekaniikassa ja kvanttimekaniikassa on joitain samoja käsitteitä (esimerkiksi aika on samanlaista), mutta kvanttimekaniikassa on käsitteitä, joita klassisessa mekaniikassa ei ole. Klassisen mekaniikan vaikutuksen minimimoimisen ymmärtäminen kvanttimekaniikan kautta perustuu jälkimmäisiin.

  5. Miguel sanoo:

    Saattaa mennä ohi aiheen. Minulla ei ole pääsyä fysiikan artikkeleihin. Mutta 2-rakokokeessa jos detektorin sijaan olisikin toinen kaksoisrako. Ihan varmaan tällainen koe on tehty . Ensimmäisessä hiukkanen ”paljastuu” ja aaltofunktio romahtaa, niin mitä tapahtuisi seuraavassa hilassa? Onko sillä edelleen aaltofunktio?. Kysyn tätä, kun ilmeisesti aaltofunktio on todettu 200+ atomilla/molekyyleillä/aineella. Mutta pakko meidän tietää tuon ”paljastuneen” aineen koostumus, jos se on valmistettu. Romahtaako tuo aaltofunktio ja epämääräisyys lopulta koskaan?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Menee vähän ohi aiheen. Mutta sanottakoon sen verran, että kvanttimekaniikan mukaan ainetta kuvaa aina aaltofunktio. Kyse on vain siitä, millainen aaltofunktio on eli miten todennäköisyys on jakautunut: onko se keskittynyt yhteen vaihtoehtoon tai sen läheisyyteen, vai onko se levinnyt laajemmalle.

  6. Miguel sanoo:

    Kiitos vastauksista!. Kun puhutaan kvanttigravitaatiosta, niin mitä se oikeastaan konkreettisesti tarkoittaa?

    Toki kaiken teoriaa. Kumman pitää lähentyä toistaan. Tuntuu, että yleinen suhteellisuusteoria on enemmän kvanttifysiikkaa, kuin toisin päin. Ja silti aika-avaruutta yritetään kvantittaa.

    On olemassa Planckin aika ja Plancikin matka.. se estää äärettömyydet ja singulariteetit.. Mikään ei voi olla pienempi kuin Planckin matka eli (tilavuus). Se olisi kvantti. Kvanttifysiikasta en tiedä, jos siihen sopii kaikki ja salliiko se äärettömytdet?

    Jos yleisessä suhteellisuusteoriasta olisi yksikin poikkeava löydös, se kai pakottaisi muuttamaan jotain. Jos kvantti fyysikasta löytyy jotain outoa, niin onko jotain asioita, jotka asetaaisi sen kyseenalaiseksi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kvanttigravitaatiolla viitataan sellaiseen kvanttiteoriaan, jonka rajatapauksena on yleinen suhteellisuusteoria. Samaan tapaan kuin kvanttielektrodynamiikka on kvanttiteoria, jonka rajatapauksena on klassinen sähkömagnetismi.

      Yleisessä suhteellisuusteoriassa ei ole mitään kvanttifysikaalista. Siinä ei esimerkiksi ole Planckin aikaa eikä Planckin pituutta. Niistä tarkemmin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaymattomista-korpimaista-vihoviimeinen/

      Yleinen suhteellisuusteoria on yksi tismalleen määritelty teoria. Kvanttifysiikka on sen sijaan iso luokka teorioita, joilla on tietynlaisia ominaisuuksia.

      On kyllä tiettyjä kvanttifysiikalle ominaisia ennusteita, joiden toteaminen kokeellisesti virheelliksi pakottaisi miettimään kvanttifysiikan tuolle puolen. Yksi esimerkki on Bellin epäyhtälö ja sen rikkoutuminen:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/lomittuneilla-fotoneilla/

  7. Miguel sanoo:

    Kiitos vastauksista. Tämä on yksi niistä blogeista, joihin aina odotan uusia aloituksia jjs vastauksia. (Ja tykkään siitä tavasta sanoa suoraan, että tämä ei liity aiheeseen, jos se ei liity).

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, mukava kuulla.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Inhimillinen komedia

29.3.2023 klo 21.09, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Luin Gary Taubesin kirjan Nobel Dreams: Power, Deceit and the Ultimate Experiment. Kirja kertoo W– ja Z-bosonien löytämisestä tutkimuslaitos CERNissä vuonna 1983 ja sen jälkeen alkaneesta supersymmetriajahdista, joka jatkuu vielä neljä vuosikymmentä myöhemmin. Löytö oli tärkeä todiste hiukkasfysiikan Standardimallin puolesta, ja se palkittiin Nobelilla heti vuonna 1984.

Fysiikan teoriat ovat kirjassa sivuosassa. Taubes kuvailee hiukkasfysiikan sisältöä niin vähän kuin mahdollista. Hänen selityksensä ovat kevyitä, yksinkertaisia ja enimmäkseen oikein.

Taubes oli aiemmin kirjoittanut nyrkkeilystä lehtiin The Atlantic ja Playboy. Tämä näkyy hänen otteessaan. Kannessa siteerataan kirja-arvostelua, jona mukaan kirja kertoo tieteestä kertoessaan inhimillisestä komediasta. Sisältö lunastaa lupauksen, vaikka ennemmin sopisi ehkä puhua tragikomediasta.

Taubes vietti yhdeksän kuukautta CERNissä kokeellisten fyysikkojen parissa, tarkkaillen heitä läheisesti päivät ja yöt toistensa perään. Taubesin lähestymistapa on journalistinen, hän keskittyy ihmisiin ja antaa havaintojen puhua puolestaan. Syvälle meneviä sosiologisia huomioita Sharon Traweekin tapaan on turha odottaa.

Kirjan vahvuus on siinä että Taubes kirjoittaa läheltä seuraamastaan käytännöstä tarkkaan ja koristelematta. Kirja lähestyy aihetta yhden henkilön kautta. Tarinan päähenkilö on Carlo Rubbia, W– ja Z-bosonit löytäneen kokeen UA1 johtaja. Olen kuullut, että Rubbia oli toivonut Taubesin kirjoittavan itsestään ylistyksen tieteen suurmiehenä. Jos tämä on totta, hän tuskin oli tyytyväinen tulokseen.

Heti alkuun Taubes kuvailee kokeellista hiukkasfysiikkaa alana, jossa poliittinen suhmurointi, fyysinen kestokyky, raha ja sisu (engl. guts – ehkä ”muna” olisi tässä tarkempi suomennos) ovat yhtä tärkeitä kuin tieteellinen näkemys.

Taubes kirjoittaa, että ei pysty löytämään Rubbiasta pienintäkään vaatimattomuuden jälkeä. Taubes kuitenkin näyttää Rubbian hyvin inhimillisenä hahmona. Rubbia aloitti elektroniikkavirtuoosina, joka pursusi ideoita ja omaksui uusia teknologioita hämmästyttävän nopeasti. Hän hyppi kunnian perässä hankkeesta toiseen ja mantereelta toiselle, ja jätti kokeet puolitiehen (ja yhteistyökumppaninsa tyhjän päälle) kun ne eivät tuottaneetkaan toivottua tulosta.

Rubbia halusi menestyä niin kovasti, että julkaisi väitettyjä läpimurtoja joita data ei tukenut. Hän sai tieteilijöiden parissa maineen klovnina, joka väittää tänään yhtä ja huomenna jotain ties mitä. Rubbian lempimääritelmä asiantuntijalle on henkilö joka on jo tehnyt kaikki virheet, ja tällä mittarilla hänen asiantuntijuutensa oli kiistaton. Rubbia kuitenkin onnistui vakuuttamaan rahoittajat ja päättäjät siitä, että hän pystyy rakentamaan aivan uudenlaisen kiihdyttimen CERNiin ja löytämään W– ja Z-bosonit ennen ketään muuta.

Rubbian ideana oli muuttaa protoneita kiihdyttävä SPS-kiihdytin niin, että se kierrättää samaan aikaan antiprotoneita vastakkaiseen suuntaan ja törmäyttää niitä protoneihin. Hän myös halusi rakentaa kolmikerroksisen talon kokoisen, ennennäkemättömän kattavan ja monimutkaisen havaintolaitteen UA1 etsimään sotkuisista protoni-antiprotoni-törmäyksistä uusia hiukkasia.

Tutkijoiden suhtautumista Rubbian suuruudenhullun hankkeen mahdollisuuksiin kuvaa se, miten yksi CERNin teoreettinen fyysikko ehdotti kokeelle nimeä Colliding Rings for Antiproton Proton, eli CRAP. (Suomeksi ehkä Protoni-Antiprotoni-Syklinen-Koe-Apparaatti.)

Rubbian kunnianhimo ja kyky kerätä rahoitusta veti kuitenkin mukaan maailman parhaita kokeellisia hiukkasfyysikoita. Monet tutkijat, jotka olivat vannoneet etteivät enää koskaan työskentele Rubbian kanssa, koska tämä on niin epämiellyttävä ihminen, palasivat kehään.

Taubesin mukaan Rubbia luki kaiken hiukkaskiihdyttimiä käsittelevän kirjallisuuden ja sisäisti niiden toiminnan paremmin kuin ammattilaiset. Hän osasi ratkaista samalta istumalta havaintolaitteiden teknisiä ongelmia, joista oli juuri kuullut ja joihin alan parhaat tuntijat olivat jääneet jumiin.

Taubes kuvailee, miten Rubbian valttina oli se, että hän ajatteli nopeammin ja huusi kovempaa kuin kukaan muu. Rubbian johtamistyylistä onkin kirjassa paljon esimerkkejä, joita ei voi pitää kovin mairittelevina. UA1-ryhmän jäsenet työskentelivät 15 tuntia päivässä 7 päivää viikossa yli kuuden vuoden ajan. Ryhmän toinen johtohahmo Bernard Sadoulet sanoi Rubbialle saavansa enemmän aikaan työskentelemällä vain 10-11 tuntia joka päivä, ei 20 tuntia. Rubbian mielestä tämä oli laiskottelua, hän itse nukkui 4-5 tuntia vuorokaudessa ja työskenteli loput.

Kirjan tyyli on letkeä, kuvailu eloisaa ja kerronta imee mukaansa. CERNin 80-luvun tupakansavuiset huoneet ja kahvintäytteiset yöt tulevat tutuksi. Taubes ei epäröi toistella 80-luvun fyysikoiden rasvaisia juttuja, mutta nostaa myös esille naisfyysikoiden vahvan osuuden. Rubbialla oli tapana tytötellä, mutta hän tunnisti naisten asiantuntemuksen ja nosti heidät korkeaan asemaan, kunhan he eivät olleet liian itsenäisiä, vaan suhtautuivat häneen hyväntahtoisena isähahmona. Kirjan perusteella tämä ei kyllä juuri eroa siitä, mitä Rubbia vaati miehiltä.

Rubbia kohteli tarvittaessa dataa samalla piittaamattomuudella kuin fyysikoita. Rubbian tyyli esittää virheellisesti tulkittua dataa oli legendaarinen, ja tarvittaessa hän keksi omasta päästään koetuloksia väitteidensä tueksi.

Lopulta valvotut yöt, riitaiset kokoukset, jatkuvat deadlinet, häikäilemättömät petokset, toisten koeryhmien hakkerointi, ja uuden teknologian rakentaminen nopeammin kuin mitä moni piti mahdollisena tuotti tulosta. Rubbia onnistui. Kiihdytin toimi, havaintolaite UA1 toimi, koeryhmä toimi, ja vuonna 1983 W– ja Z-bosonit löytyivät.

CERNin johto hoiti julkisuuden taitavasti, ja vuonna 1984 Rubbialle myönnettiin Nobelin palkinto yhdessä Simon van der Meerin kanssa. van der Meer oli kehittänyt ratkaisevan teknologian, jolla kerättiin tarpeeksi antiprotoneita. Kun kiihdyttimen idea oli aikoinaan esitelty Yhdysvalloissa kiihdytinlaboratorio Fermilabissa, yleisö oli nauranut ja huutanut pilkkaavasti ”mistä saatte antiprotoneita – toisesta galaksistako?”. Niinpä Fermilabilta meni löytö sivu suun, ja CERN sai ensimmäisen Nobelin palkintonsa. Yhdysvalloissa hiukkasfysiikan kokeita ei tuolloin myöskään juuri rahoitettu, kun taas CERNillä oli kosolti rahaa.

Vain muutamaa vuotta aiemmin yhdysvaltalaisia hiukkasfyysikkoja tutkinut antropologi Sharon Traweek oli pannut merkille, miten he eivät voineet ajatellakaan, että Yhdysvallat ei olisi aina alan johdossa. Nyt kruunu siirtyi Eurooppaan.

Alle kaksi viikkoa sen jälkeen kun W ja Z löydettiin Yhdysvalloissa reagoitiin tappioon päättämällä rakentaa Superconducting Supercolliderin (SSC), josta oli määrä tulla historian isoin ja korkeaenergisin kiihdytin. Jos Yhdysvallat oli 60-luvulla kisannut Neuvostoliiton kanssa kuumatkasta, 80-luvulla kilpailijana oli Eurooppa ja tantereena hiukkasfysiikka. CERN vastasi SSC:hen päättämällä rakentaa Large Hadron Colliderin (LHC). Lopulta SSC peruttiin vuonna 1993, ja LHC aloitti toiminnan 2008, noin 15 vuotta alkuperäisestä aikataulusta jäljessä. Rubbian UA1 oli tulevien suurprojektien malli, ja CERN säilytti paikkansa maailman johtavana hiukkasfysiikan laboratoriona.

Taubesin kolmen näytöksen moraalinäytelmässä (ehkä Hollywoodin nyrkkeilyelokuva olisi lähempi vertailukohta) Nobelin palkinto on Rubbian huippukohta. Sen jälkeen on vuorossa sarjan epäonnistuminen-menestys-rappio kolmas osa. Rubbia oli pelannut uhkapeliä ja voittanut, ja hän jatkoi kovilla panoksilla: nyt kohteena olivat skvarkit ja muut supersymmetriset hiukkaset. Ollessani CERNissä 20 vuotta myöhemmin tälle vieläkin naureskeltiin: ”Rubbia on löytänyt skvarkit – kysy vain häneltä!”.

On yllättävää, miten epäillen supersymmetriaan aluksi suhtauduttiin. Kun LHC käynnistyi 2008, supersymmetria oli sitä vastoin noussut keskeiseksi uuden fysiikan vaihtoehdoksi – vaikka siitä ei ollut 25 vuoden aikana näkynyt jälkeäkään.

Idealla oli omat vakaumukselliset tai opportunistiset kannattajansa jo varhain. Kirjassa yksi esimerkki edellisistä on John Ellis, jonka Taubes kastaa supersymmetrian evankeliumin profeetaksi (Ellis lienee tästä imarreltu). Hän löi jo vuonna 1983 vetoa, että supersymmetria löytyy heinäkuuhun mennessä. Vaikka näin ei käynyt, supersäieteorian nousu vuonna 1984 antoi idealle nostetta.

On hauska huomata muitakin tuttuja hahmoja. Ylimielinen teoreetikko Alvaro De Rújula kuulostaa aivan itseltään nauraessaan supersymmetrialle, sitten hypätessään sen kelkkaan, ja lopulta jättäessään sen taakseen ennen monia muita. Erityisen vakavana näyttäytyy Jack Steinberger, joka oli Rubbian ohjaaja ja yhteistyökumppani, ja myöhemmin ampui alas tämän perättömiä väitteitä. Toisin kuin moni muu, hän pitäytyi päätöksessään olla enää työskentelemättä Rubbian kanssa.

Kirjasta hieman loppuu puhti Taubesin seuratessa päivä päivältä miten UA1-ryhmä jatkaa hurjaa tahtia supersymmetrian perässä. Yksi Nobel ei ollut tarpeeksi, Rubbia halusi voittaa niin paljon, että näki datassa jotain mitä ei ole olemassa, ja väitti ryhmän tehneen löydön.

Rubbia oli kuitenkin haalinut kokeeseen kriittisiä ja omanarvontuntoisia tutkijoita, ja kokoonpanon vaihtuvuus takasi sen, että ulkopuolinen kritiikki siirtyi kokeen sisälle. Itsevaltiaan ote lipsui, kun tutkijat eivät suostuneet vastoin näyttöä tukemaan hänen väitteitään, eivätkä lähimmätkään yhteistyökumppanit pysyneet hänen puolellaan. Rubbiasta tosin tuli kirjan julkaisemisen jälkeen vuonna 1989 CERNin johtaja, että yhteisöllisesti hän kyllä menestyi.

Taubes maalaa tunnistettavan kuvan CERNin epämuodollisesta kulttuurista räävittömine joulunäytelmineen, missä estotta pilkataan arvostetuimpien tutkijoiden rakkaimpia ideoita ja surkeimpia floppeja. Taubes ei romantisoi tieteen tekemistä, ja antaa lukijan vetää omat johtopäätöksensä.

Nykyään työkulttuuri on erilainen ja data-analyysit ovat huolellisempia. Toisaalta ilmiöt ovat monimutkaisempia ja kokeita tehdään enemmän, joten mahdollisuus tilastollisille sattumille on isompi. Kokeiden OPERA ja BICEP2 esimerkki osoittaa, että kiihdytinten ulkopuolella kunnianhimo vie tutkijoita vieläkin harhaan.

Kirja monelta osin näyttää, miten tieteen tekeminen on joskus kaukana ihanteesta, ja miten tutkimusta tehdessä on epävarmaa mikä toimii ja ketkä jäävät tyhjin käsin. Samalla Taubesin kertomus kuitenkin osoittaa, että tiedeyhteisön kriittinen lähestymistapa toimii: signaali suodatetaan kohinasta, ja oikeat tulokset erotetaan vääristä.

7 kommenttia “Inhimillinen komedia”

  1. Cargo sanoo:

    Mikä siitä supersymmetriasta tekee tai on tehnyt niin houkuttelevan idean, että niin monet tutkijat ovat heittäneet työuransa sen varaan? Jos von Neumann vitsaili ylimääräisistä parametreista ja kokeellisten mallien sovittamisesta, niin vastaavalla tavalla voitaisiin vitsailla ylimääräisistä symmetrioista ja teoreettisista yhtenäisteoriosta. Ellei Eusa ole vielä varannut nimeä, niin seuraava teoreettinen muoti-ilmiö lienee sateenkaarisiltadualismi 🙂

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Yritin etsiä manittua opusta kirjaston (Vaski) repertuaarista, mutta ei löytynyt. Sen sijaan löytyisi skribentin ao opuksia kirjastosta. Kaveri näyttääkin tosiaan olevan aika monipuolinen ”huuliveikko”. Mm tällaisia on Taubes väsännyt:

    Miksi lihomme ja mitä voimme asialle tehdä
    Good calories, bad calories : fats, carbs, and the controversial science of diet and health
    The case against sugar
    The case for Keto : the truth about low-carb, high-fat eating
    The case against sugar

    Mitä tämä Nobel Dreams kustantaa kirjakaupassa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ostan tällaiset vanhat kirjat yleensä Ebaystä. Näyttää olevan Nobel Dreamsia vielä vajaan 30 punnan hintaan.

  3. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Tieteen suurnimien joukossa on originelleja, jotka lähipiirilleen saattavat olla hankalia. Heidän motivaationsa voi olla ehtymätön kunnianhimo ja ongelmansa neuvottelukyvyttömyys. Itse ihailen Bruno Pontecorvoa, joka teki radikaalin ratkaisun loikkaamalla NL:on v. 1950 Stalinin vielä eläessä! BP oli kiinnostunut neutriinoista ja ennusti neutriinoiden oskillaation. Venäjällä jaetaan edelleen BP-palkintoa alan huippututkimuksesta. Olen tavannut kolme nobelistia: Herbert C. Brown, Richard R. Ernst ja Kurt Wuethrich. Heistä jenkki Brown oli ”omalaatuisin”!

  4. Kari Saarinen sanoo:

    Kiinnostuin niin paljon kirjoituksesta että tilasin kirjan.

    Onnistuin löytämään sen tietokirja välittävästä Finn-Scholar nettidivarin valikoimista eikä se maksanut kuin 12 €.

    Itselleni on vielä elävästi jäänyt mieleen kuva jossa välibosonien löytäjät, Carlo Rubbia yhdessä Simon van der Meerin kanssa nostavat maljoja Cernin parvella saatuaan tiedon vuoden 1984 Nobelin fysiikanpalkinnon myöntämisestä.

    Nyt pääsen mukaan myötäelämään noita kiihkeitä hetkiä Gary Taubesin kirjaa lukemalla.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Mukava kuulla.

      Itse tilaan kirjoja myös sivustolta https://www.antikvaari.fi/ .

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *