Paikan täyttäminen

28.10.2019 klo 00.12, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pari viikkoa sitten tutkijakollegani Tommi Tenkasen vieraillessa Helsingissä juttelimme työhuoneellani inflaatiosta, pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta. Sitten kiistelimme hänen paljon huomiota saaneen artikkelinsa lehdistötiedotteesta ja termistä alkuräjähdys. Lopuksi Tommi antoi minulle käteen vasta ilmestyneen kirjansa Pimeän aineen arvoitus sanoen, että sen alussa on alkuräjähdykselle määritelmä, josta en pidä. Hän oli totisesti oikeassa, mutta kirjassa on myös paljon sellaista mistä pidän.

Ursan julkaisema kirja on kauniskantinen ja hyväntuoksuinen. Sen 12 luvussa ja noin 200 sivulla käydään läpi pimeän aineen perusteita niin teorian kuin havaintojen osalta. Kunkin luvun avaa viehättävän vanhakantainen yhden virkkeen tiivistelmä sisällöstä, ja jokaisen lopussa on kolmen pointin kertaus. Sellainen onkin hyödyllinen tällaisessa tietokirjassa, joka kulkee tarinallisesti ja jossa tietoa pitää pohjustaa huolella.

Tommi on teoreettinen fyysikko, mutta kertoo tarinan havainnot edellä. Tämä on asianmukaista, meillä kun on paljon pimeään aineeseen viittaavia havaintoja, mutta emme tarkalleen tiedä millainen teoria sitä kuvaa. Ensimmäinen luku on pikajuoksu kosmologian virstanpylväiden ohi, sen jälkeen käydään yksittäisiä aiheita tarkemmin läpi. Pimeän aineen tutkimus yhdistää astrofysiikkaa ja hiukkasfysiikkaa, ja kirjassa molemmat puolet ovat sopivalla painolla mukana.

Pimeä aine on yksi kosmologian keskeisiä kysymyksiä, avoin paikka maailmankaikkeuden kalusteluettelossa. Kirjassa käsitellään pimeää ainetta erittäin monipuolisesti, 1900-luvun alkupuolen havainnoista kosmiseen mikroaaltotaustaan, gravitaatiolinsseihin, galaksien ja ison mittakaavan rakenteen simulaatioihin, pimeän aineen hiukkasten suoraan ja epäsuoraan havaitsemiseen ja niiden tuottamiseen hiukkaskiihdyttimissä. Historiassa on kiinnostavia yksityiskohtia, joita en aiemmin tiennyt. Kokeiden historia tuo esille fyysikkojen kekseliäisyyden, ja mukaan ovat päässeet uusimmat hauskat ehdotukset pimeän aineen etsimisestä DNA-rihmoilla ja 12 kilometrin syvyydestä kaivetuilla mineraaleilla.

Lukuisista vaihtoehdoista pimeän aineen hiukkaselle kirjassa on käsitelty tarkimmin nynnyjä, aksioneja ja mustia aukkoja. Tommi mainitsee myös eksoottisen mahdollisuuden siitä, että pimeä aine olisikin monimutkaisempaa ja muodostaisi kenties jopa pimeän aineen planeettoja ja olentoja. Myös se vaihtoehto, että pimeää ainetta ei olisikaan olemassa käydään läpi.

Kirjassa esitellään Suomessa pimeän aineen tiimoilta tehtävää tutkimusta. Tommi on siinä mukana, ja kirjoittaa jonkin verran omasta työstään ja polustaan tutkijana. Tarina liikkuu Higgsin hiukkasen löytämisestä CERNin saleissa Planck-satelliitin tuloksen käsittelyyn Helsingin yliopiston fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarihuoneessa, ja sieltä Johns Hopkinsin yliopiston käytäville.

Tieteen tekemisen ennalta-arvaamattomuus ja yhteisöllisyys tuodaan hyvin esille. Pimeällä aineella on ollut monta kokkia, mikä esitetään selitykseksi sille, että sen enempää Fritz Zwicky kuin Vera Rubin ei saanut Nobelin palkintoa. On tosin ironista, että selitystä on valaistu sitaatilla Jim Peeblesiltä, joka saa tänä vuonna Nobelin palkinnon osittain pimeästä aineesta.

Tällaisissa kirjoissa on vaikea välttää toistoa, koska asiat risteävät, mutta sitä olisi voinut karsia. Kerronnan selkeyttä minun on hankala arvioida ensinnäkin siksi, että olen kirjoittanut samoista aiheista ja toisekseen siksi, että tutun tekstiä on vaikea irrottaa henkilöstä. Minusta kuitenkin tuntuu, että selitykset liikkuvat turhan nopeasti ja jäävät joskus pintapuolisiksi. Ymmärrykselle olisi voinut tarjota enemmän tukea. On saman tien sanottava, että 200 sivussa käydään läpi paljon asiaa, ja syvyyden ja laajuuden välillä pitää tehdä valinta. Meno on myös välillä hieman poukkoilevaa: temaattista ja kronologista kerrontaa ei ole saatu sovitettua saumattomasti yhteen, ja tarina kulkee eri poluille, joilta palataan myöhemmin takaisin.

Teksti on positiivissävyistä ja kepeää. Kirjaan on haastateltu tutkijoita, mutta haastateltujen persoonallinen ääni ei juuri kuulu. Poikkeuksena on kenties tunnettu teoreetikko Nima Arkani-Hamed, jonka suureellisia ja osittain virheellisiä väitteitä esitellään kritiikittä. Arkani-Hamed esimerkiksi väittää, että ”edes yksinkertaisimpia wimpejä ei ole [kokeellisesti] suljettu pois, ei todellakaan”. Tätä väitettä voi kauniisti kutsua markkinapuheeksi: totta se ei ole. Havainnot ovat sulkeneet pois alkuperäiset yksinkertaiset wimpit jo aikapäiviä sitten, ja pimeän aineen hiukkasten pitää vuorovaikuttaa ainakin miljardi kertaa heikommin kuin mitä alun perin ajateltiin.

Harhaanjohtava on myös Arkani-Hamedin väite, että Higgsin hiukkasen ”olemus on täysin paradoksaalinen”. Todellisuudessa Higgsin LHC-kiihdyttimessä mitatut ominaisuudet vastaavat hiukkasfysiikan Standardimalliin ennusteita erinomaisen hyvin. Ne sopivat myös hyvin joihinkin sen laajennuksiin, kuten steriilejä neutriinoita sisältävään nuMSM:ään. On toki totta, että jotkut teoreetikoiden vaalimat mallit (kuten supersymmetrinen Standardimalli) sopivat havaintoihin huonosti. Tämä on paradoksaalista vain jos haluaa pitää kiinni teoreettisista ideoista silloinkin kun havainnot osoittavat toista. Tältä osin tiedeyhteisön käsittely jää kirjassa pinnalliseksi, kriittisiä sävyjä ei juuri ole.

Kirjassa on kuitenkin yleensä huolella eroteltu se, mitä tiedetään varmasti, mikä on luultavasti totta, mikä on villiä spekulaatiota ja mitä havainnot tästä kaikesta sanovat. Epävarmuudet on huomioitu hyvin myös lopun sanastossa, mikä onkin varmaan lukijoille hyödyllinen, sen verta paljon erikoistermejä tästä aiheesta kertoessa väistämättä tulee käyttäneeksi.

Tällaisissa kirjoissa pitää valita valheensa, koska usein lukija ymmärtää paremmin, jos asian selittää yksinkertaisesti ja väärin kuin monipolvisesti ja oikein. Kirjassa on kuitenkin useita yksinkertaistuksia ja huolimattomuuksia, joiden kanssa olisi mielestäni syytä olla tarkempi. Alla jokunen esimerkki.

Tekstissä sanotaan, että neutriinot kiitävät aina lähes valonnopeudella. Itse asiassa kosmiset neutriinot (eli lähes kaikki neutriinot) ovat maailmankaikkeuden laajenemisen takia pudonneet kauas valonnopeudesta.

Kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatio on jo mitattu, ja sitä tuottavat muutkin tapahtumat kuin kosminen inflaatio.

Kirjassa useaan kertaan toistetaan yleistä harhakäsitystä siitä, että ”aine on energiaa ja energia ainetta”. Energia on aineen ominaisuus, aivan kuten liikemäärä, massa, nopeus tai sähkövaraus. Se ei ole erillinen olemisen muoto. Kun kirjassa käydään läpi pimeää ainetta ja pimeää energiaa, tämä muotoilu on erityisen hämmentävä.

Tommi kirjoittaa, että hiukkasfysiikan ja astrofysiikan välillä ei juuri ollut yhteyttä ennen pimeän aineen teorioiden nousua 1980-luvulla. Itse asiassa Yhdysvaltojen ydinaseprojektista tunnettu Robert Oppenheimer toi astrofyysikot ja suhteellisuusteoreetikot yhteen 1960-luvulla kvasaarien selittämiseksi, ja samalla muitakin hiukkasfyysikoita tuli mukaan kuvioihin, kuten esimerkiksi Pedro Ferreiran kirjassa Täydellinen teoria käydään läpi. Myös Neuvostoliitossa Lev Landaun ja Jakov Zeldovitšin ryhmissä siirryttiin sujuvasti hiukkasfysiikan ja astrofysiikan välillä 1960-luvulta asti.

Ei ole totta, että ”kukaan ei tiennyt miksi” maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, kun se vuonna 1998 havaittiin. Osa tämän vuoden Jim Peeblesin Nobelin palkinnosta myönnetään siitä, että hän vuonna 1984 palautti tyhjön energian (joka johtaa kiihtyvään laajenemiseen) kosmologian keskiöön. Tämä ei ole pieni yksityiskohta, vaan valaisee havaintojen ja teorian suhdetta: vuoden 1998 havainnoista on mahdollista lukea, että maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt vain jos etukäteen olettaa, että tyhjön energiaa on olemassa. (Myöhemmät havainnot ovat varmentaneet asian ilman tätä havaintoa oletusta.) Kokeellisten ryhmien kysymyksenasettelu muotoutui nimenomaan teoreetikoiden työn päälle, ja tämä oli myös syy siihen, miksi teoreetikot hyväksyivät havainnot niin nopeasti. Eri asia on sitten se, onko selitys oikea. Pyrkimys dramatisointiin johtaa kirjassa harhaan myös LIGOn havaitsemista gravitaatioaalloista kerrottaessa.

Avaruuden ja aika-avaruuden kaarevuus menee selityksissä sekaisin: tuntuu tarpeettomalta yksinkertaistaa esimerkiksi valon taipumista puhumalla vain avaruuden kaarevuudesta, kun avaruuden ja aika-avaruuden kaarevuus kuitenkin myöhemmin esitellään erillisinä käsitteinä.

Entäpä se alkuräjähdys? Tutkijat käyttävät sanaa kolmessa eri merkityksessä: ajan ja avaruuden alku (alkuperäinen merkitys); aineen synty inflaation lopussa; tai aikakausi, jolloin aine oli nykyistä kuumempaa ja tiheämpää. Kirjassa on valittu viimeinen, epämääräisin vaihtoehto, vieläpä siten, että alkuräjähdys päättyy vasta atomien muodostumiseen, eli kestää 380 000 vuotta. Mutta tekstissä on tehty selväksi, miten termiä käytetään, mikä saattaa sentään lieventää väärinkäsityksiä.

Lopussa oleva kirjallisuusluettelo osoittaa, miten paljon hiukkaskosmologiasta suurelle yleisölle suunnattuja kirjoja onkaan suomeksi julkaistu. Joukossa ei kuitenkaan tätä ennen ollut ainuttakaan vain pimeälle aineelle omistettua teosta. Tämän paikan kirja täyttää, ja esittelee pimeästä aineesta kaiken oleellisen. Erityisen ajankohtainen kirja on niille, jotka haluavat syventää tietojaan tämän vuoden Nobelin palkinnon tiimoilta.

Päivitys (28/10/19): Korjattu havainto oletukseksi.

10 kommenttia “Paikan täyttäminen”

  1. Jernau Gurgeh sanoo:

    Pimeälle aineelle on omistettu aiemminkin kokonainen kirja suomeksi:

    Kosminen Cocktail – Kolme osaa pimeää ainetta, Terra Cognita 2015

    Kirjoittaja on Katherine Freese

    Kirja oli ihan ok, mutta olen lukenut paljon parempiakin tietokirjoja fysiikan saralta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Luulin että kirja käsittelee sekä pimeää ainetta että pimeää energiaa?

      1. Jernau Gurgeh sanoo:

        Olet varmaankin oikeassa. Täytyy tunnustaa, että en muista kirjan sisältöä kovin tarkasti, kun neljä vuotta on jo kulunut sen lukemisesta eikä se kerronnallisesti ollut kovin mieleenpainuva.

        Pääpaino oli muistaakseni pimeässä aineessa ja Freesen henkilökohtaisessa tarinassa, hänhän on nimenomaan profiloitunut merkittävänä pimeän aineen tutkijana. Toki mukana oli jonkin verran myös pimeää energiaa ja muutakin aihetta liippaavaa fysiikkaa.

  2. Mikko Väyrynen sanoo:

    eikös hiukkasfysiikan Standardimalli ennusta joitain asioita astronomisen epätarkasti

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      No siinä mielessä kyllä, että Standardimallissa ei ole pimeää ainetta.

      1. Pertti Rautiainen sanoo:

        Tässä taidetaan viitata kosmologisen vakion suuruutta koskevaan arvioon, joka tuli kvanttikenttäteoriasta. Sehän oli pielessä tekijällä 10^120. Toki kyseessä oli ymmärtääkseni vain suuruusluokka-arvio.

  3. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Sodassa, rakkaudessa ja pimeän aineen etsinnässä kaikki keinot ovat luvallisia. Siis ydinmagneettinen resonanssikin (NMR). Ao. linkissä esitetty prof. Dmitry Budkerin CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment) tutkimushankkeen idea on, että pimeän aineen magneettikenttä vaikuttaa magneettisen hiili-13-isotoopin Larmor-prekessiotaajuuteen. Toistaiseksi tulos on ollut sama kuin muissa pimeän aineen etsinnöissä, mutta NMR-spesialistit uskovat, että menetelmän herkkyyden parantuessa jotain löydetään. Siitä voitaisiinkin antaa sitten kuudes NMR Nobel-palkinto Rabi’n, Bloch’in & Purcell’in, Ernst’in, Wuetrich’in ja MRI:n kehittäjien saamien palkintojen jälkeen.

    https://phys.org/news/2019-10-piece-dark-puzzle.html

  4. Mikko sanoo:

    ”vuorovaikuttaa ainakin miljardi kertaa heikommin kuin mitä alun perin ajateltiin” on puhekielen ilmaisu ja aiheuttaa ongelmia tulkitessa tekstiä matemaattisessa mielessä. Parempi olisi ilmaista esim. ”vuorovaikuttaa heikommin kuin miljardisosalla siitä kuin mitä alun perin ajateltiin” tai ”vuorovaikuttaa ainakin 99.9999999% heikommin kuin mitä alun perin ajateltiin”.
    Kiitos kirja-arvostelusta.

  5. Jorma Kilpi sanoo:

    Ehdit jo kirjoittaa uuden blogimerkinnän mutta minulla olisi kysymys Tenkasen kirjaan liittyen joten laitan sen tänne. Primordiaaliset mustat aukot ovat yksi mahdollinen selitys pimeälle aineelle. Aineen ja antiaineen epätasapaino on tiedossa. Voiko antiaine muodostaa mustan aukon ja jos voi, niin eroaako sellainen musta aukko millään tavalla tavallisen aineen muodostamasta mustasta aukosta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kysymys on sen verta kaukana tämän merkinnän aiheesta, että en kommentoi.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *