Maanmittauksen perusteet
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 Euclid–satelliitti.
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…
Fyysikot harvemmin käyttävät sanaa hypoteesi, ja sanoja malli ja teoria usein vähän sekaisin.
Malleista, perustavanlaatuista laeista ja fysiikan etenemisestä, ks.
https://web.archive.org/web/20191207050717/https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kaikki_jarjestyksessa
https://web.archive.org/web/20220618081432/http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/perustuslakien_saatamisjarjestys
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/edistys-ja-rappio/
Mielenkiintoinen otsikko, lyhimmästä matkasta kyllä puhuttiin mutta muuten otsikon yhteys tekstiin jäi itselleni epäselväksi, joka ei ole näissä yhteyksissä tietenkään kummallista.
Otsikko viittaa konferenssin nimessä esiintyvään sanapariin ”geometric foundations”. Geometria tarkoittaa kirjaimellisesti maanmittausta, koska se kehittyi alun perin maanmittaukseen liittyvien ongelmien ratkaisemisesta.
Kun otsikossa oli myös (- -) of Gravity, niin se vei ajatukseni pois ”perinteisestä” maanmittauksesta.
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.
En katsonut videota. Mutta jos kosmisiä säikeitä on olemassa, niitä on niin harvassa, että tällainen tilanne olisi hyvin epätodennäköinen.
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!
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?
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.)
Aiikaan liittyen onko tämä tutkimus sitten väärässä ? https://phys.org/news/2023-06-quasar-clocks-universe-slower-big.html
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
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?
Kyllä.
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.
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.
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.
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.
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”
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.