21
 |
Maailmankaikkeutta etsimässä
Syksy Räsänen 29.4.2011 |
| Nykyajan sekakulttuuria | |
Moderni kosmologia on syntynyt 1910- ja 1920-luvulla yleisen suhteellisuusteorian myötä. Murroksen nykyaikaiseksi täsmälliseksi tieteeksi katsotaan yleisesti tapahtuneen vasta kahden-kolmenkymmenen viime vuoden aikana. COBE-satelliitti julkaisi ensimmäiset havainnot kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksista ja lämpötilasta vuonna 1992. Havainnoista myönnetyn vuoden 2006 Nobelin palkinnon perusteissa todetaan, että “COBE-projektia voidaan pitää alkupisteenä kosmologialle täsmätieteenä”. Teoriapuolella nykykosmologian alku sijoittuu hieman varhaisempaan aikaan 1980-luvulle. COBEa seurasivat monet tarkat kosmologiset havainnot tyypin Ia supernovista, galaksien jakaumasta, gravitaatiolinsseistä ja monesta muusta, ja nykyään niitä on suuri määrä.
Yhden esimerkin edistyksestä tarjoaa maailmankaikkeuden laajenemisen tahdin mittaaminen. Ensimmäinen havainto aiheesta vuonna 1929 oli pielessä tekijällä 7, ja vielä 80-luvulla laajenemisnopeudesta oli kiistaa. Yksi tutkimusryhmä oli pitkään sitä mieltä, että kahden pisteen näennäinen laajenemisnopeus on 50 km/s jokaista niiden välistä 3.26 miljoonaa valovuotta kohti, kun taas toisen mielestä arvo oli 100 km/s per 3.26 miljoonaa valovuotta. Tämänhetkiset havainnot antavat väitetyllä 3% tarkkuudella luvuksi 74 km/s per 3.26 miljoonaa valovuotta. (Olen vähän skeptinen ja laittaisin tarkkuudeksi korkeintaan 5%, mutta samoissa luvuissa liikutaan.) Siis esimerkiksi 700 miljoonan valovuoden päässä meistä oleva Shapleyn galaksien superrypäs näyttää etääntyvän nopeudella 16 000 km/s. Näennäinen nopeus on sitä isompi, mitä kauempana kohde on, koska välissä on enemmän tilaa, joka kaikki laajenee.
Ulkopuolisesta saattaa tuntua kummalliselta, että joku jaksaisi kiinnostua siitä onko laajenemistahti 50 vai 100, ja onko tarkkuus 3% vai 5%. Itse asiassa harvat kosmologitkaan välittävät näistä luvuista sinänsä. Kosmologisten suureiden arvot ovat mielenkiintoisia vain sen kautta, mitä niistä voidaan päätellä kosmologisista malleista. Esimerkiksi malleissa, joissa ei ole pimeää energiaa (tai sen vaihtoehtoja) maailmankaikkeuden laajenemistahdin pitäisi olla alle 50 kun maailmankaikkeuden ikä on kolmisentoista miljardia vuotta. Tästä voidaan päätellä, että on olemassa pimeää energiaa, yleinen suhteellisuusteoria ei päde, tai rakenteiden vaikutus laajenemiseen on merkittävä.
Virherajoilla on merkitystä sikäli, että havaintoja on useita erilaisia, ja kun johtopäätöksiä tehdään yhdistelemällä niitä monimutkaisissa analyyseissä, niin pitää tietää, kuinka paljon painoa millekin tiedonmurulle laitetaan. Jos eri havainnot eivät sovi yhteen oletetun mallin puitteissa, valtaosan ajasta tämä johtuu siitä, että virheitä ei ole hahmotettu oikein, ja vain harvoin on kyse siitä, että malli on väärin, toisin sanoen tieteellisen löydön tekemisestä. Virheiden tarkka ymmärtäminen on tieteen edistymisen perusta.
Havaintojen kehittyminen on vetänyt kosmologiaan paljon lisää väkeä, enimmäkseeen tähtitieteen (jota nykyään myös astrofysiikaksi kutsutaan) tai hiukkasfysiikan piiristä; itse kuulun jälkimmäisiin. Pieni osa on taustaltaan puhtaita yleisen suhteellisuusteorian tutkijoita. Kaikilla kolmella alalla on omat käytäntönsä ja kulttuurinsa, jotka kohtaavat kosmologiassa.
Tyypillisesti hiukkasfyysikot katsovat alaspäin astrofyysikoita, osittain siksi, että astrofysiikassa ei tarvita niin kehittynyttä matematiikkaa kuin hiukkasfysiikassa ja toisaalta sen takia, että astrofysiikan havainnot ja niiden analyysi olivat pitkään vähemmän hienostuneita kuin hiukkasfysiikassa. Yleisen suhteellisuusteorian tutkijoiden matemaattista osaamista arvostetaan, mutta heitä pidetään vähän outoina lintuina, jotka lentävät havaintoihin liittyvästä fysiikasta turhan kaukana. Yksi syy siihen, että 2000-luvun alussa “täsmäkosmologia” nousi muotisanaksi oli varmaankin se, että haluttiin korostaa samanlaisen kokeellisen ja teoreettisen menestyksen saavuttamista kuin mihin hiukkasfysiikka on yltänyt, verrattuna vanhaan suurpiirteiseen astrofysiikkaan tai matemaattisissa kehissä liikkuvaan suhteellisuusteoriaan.
Teoreettista ymmärtämystä pidetään yleisesti jotenkin hienompana ja suurempaa älykkyyttä vaativana kuin kokeiden ja havaintojen hallintaa. Toisaalta toisten alojen asiantuntijoita arvostetaan joskus heppoisin perustein, kun ei osata kunnolla arvioida näiden työtä.
En ole ihan varma, miltä asiat näyttävät astrofysiikasta tai suhteellisuusteoriasta tulevien näkökulmasta, mutta mielestäni hiukkasfyysikoilla on usein taipumus ajatella, että hiukkasfysiikassa menestyksen tuoneita menetelmiä ja ajattelutapoja voi sinällään soveltaa kosmologiassa, pysähtymättä miettimään tutkimuskohteiden eroja. Lisäksi arvostettujenkin hiukkasteoreetikkojen suhtautuminen kosmogiseen data-analyysiin on toisinaan aika naiivi. Monella menee myös sekaisin se, millainen maailmankaikkeuden pitäisi mallin mukaan olla ja se mitä taivaalla oikeasti näkyy. Puolivakavissaan voi sanoa, että mitä suurempi etäisyys tutkijalla on varsinaisiin havaintoihin, sitä varmempi käsitys hänellä on siitä, miltä maailmankaikkeus näyttää. Toisaalta havaintojen kanssa tekemisissä olevilla fyysikoilla saattaa olla turhan herkkäuskoinen suhde teoreettisiin malleihin.
Yhteistä on se, että kaikki arvostavat uusia havaintoja, joita kosmologia on runsaasti tarjonnut. Vaikka astrofyysikoille joskus hieman naureskellaan, niin silti spekulaatioiden parissa pitkään painineet hiukkasfyysikot LHC:n tuomisia odotellessaan vitsailevat, että astrofyysikot ainakin tekevät “oikeaa fysiikkaa”.
Päivitys (30/04/11): Laajenemisnopeuden desimaalivirhe korjattu.
29. huhtikuuta 2011 kello 17.30
Aihe käsitteli osittain sitä, miten paljon matematiikkaa tarvitaan eri kosmologian alueilla. Matematiikan opiskelijana heräsi kysymys siitä, että tarvitseeko teoreettisten fyysikoiden kehittää uutta matematiikkaa kuvaamaan uutta fysiikkaa vai onko matematiikan tarjoamat nykyiset välineet riittävät tähän? Onko myös teoreettisessa fysiikan tutkimisessa matemaattinen todistaminen arkipäiväistä?
29. huhtikuuta 2011 kello 23.12
Laajenemisnopeuksien pitäisi varmaan olla “per 3,26 miljoonaa valovuotta” eikä “per 326 miljoonaa valovuotta”? Eikös ne ole km/s/Mpc?
30. huhtikuuta 2011 kello 14.21
Tero:
Toden totta, noin käy kun kiireessä kirjoittaa. Ilmankos tuo Shapleyn nopeus tuntui kumman pieneltä. Kiitos, korjasin luvut.
30. huhtikuuta 2011 kello 14.37
Jesse:
Historiallisesti fyysikot ovat kehittäneet uutta matematiikkaa, esimerkiksi Newton differentiaali- ja integraalilaskennan. Nykyään valtaosa fyysikoista pärjää olemassaolevalla matematiikalla, mutta esimerkiksi säieteorian eturintamassa liikkuvat tutkivat myös uutta matematiikkaa. Voidaan jopa sanoa, että säieteoria on toistaiseksi antanut matemaatikalle enemmän kuin fysiikalle.
Suurimmassa osassa teoreettisesta fysiikkaa todistuksilla on aika pieni rooli. Tyypillisesti jollain fysiikan alueella on jotain keskeisiä väitteitä, jotka on todistettu (ei tosin aina matemaatikkojen standardeilla) ja jotka ovat tärkeitä. Mutta suurin osa tutkimuksesta ei toimi todistusten varassa, vaan oleellista on sopivan mallin löytäminen, toimivan approksimaatiomenetelmän muotoileminen ja kiinnostavien suureiden arvojen laskeminen.
1. toukokuuta 2011 kello 21.25
Syksy kirjoitti:
“Havaintojen kehittyminen on vetänyt kosmologiaan paljon lisää väkeä, enimmäkseeen tähtitieteen (jota nykyään myös astrofysiikaksi kutsutaan) tai hiukkasfysiikan piiristä; itse kuulun jälkimmäisiin. Pieni osa on taustaltaan puhtaita yleisen suhteellisuusteorian tutkijoita. Kaikilla kolmella alalla on omat käytäntönsä ja kulttuurinsa, jotka kohtaavat kosmologiassa.”
Toimivatko nämä kolme eri kosmologian alaa toisistaan erillään, vai löytyykö tutkimustyössä riittävää rakentavaa linkitystä, synergiaa?
Jos Syksy (nuoremman sukupolven edustajana) saisit organisoida tutkimusalat oman tahtosi mukaisesti, millä tavoin (mahdollisesti) muuttaisit tai rakentaisit yhteistyötä, vai toimiiko kommunikointi jo nykyisellään riittävän avoimesti kansainvälisellä tasolla? Ovatko vuosittaiset foorumit, kokoontumiset, koulutukset yms. kaikille avoimia, vai kokoontuuko niihin aina omat erilliset kuppikuntansa?
2. toukokuuta 2011 kello 0.55
Alan Dorkin:
Kysymys ei ole siitä, että kosmologiassa olisi kolme eri alaa, vaan siitä, että kosmologiaan on tullut väkeä kolmelta eri alalta. Kosmologiassa on toki eri osa-alueita ja erilaista tutkimusta, mutta ne eivät noudattele noita taustoja vaan tutkimusaiheita. Valtaosa konferensseista on melko yleisiä, mutta jotkut niistä keskittyvät johonkin tiettyyn aiheeseen, vaikkapa kosmiseen mikroaaltotaustaan tai rakenteiden vaikutukseen laajenemiseen ja valon kulkuun.
Tutkimusalat muotoutuvat sen mukaan, mitä tutkijat katsovat parhaaksi tehdä ja mihin tutkimus vie, niitä ei voi kukaan sanella.
2. toukokuuta 2011 kello 1.38
Suprajuoksevuuden tutkijat Helsingissäkin vaikuttava Grigori Volovik kärjessä ovat löytäneet suprajuoksevasta helium-3:sta runsaasti ilmiöitä, joita he pitävät analogisina kosmologisten ilmiöiden kanssa. (Suprajuoksevasta He-3:sta löytyy myös analogisuutta atomitason ilmiöiden kanssa.) Eikö tämä suuren ja varsin pienen analogia viittaa vakuumin rakenteessa ehkä sub-planckisella tasolla piilevään tekijään, joka pitäisi pikimmiten selvittää? Jospa silloin ilmenisi syy matematiikan “käsittämättömään tehokkuuteen luonnontieteissä” ja siihen, että monia asioita voidaan kuvata monia eri formalismeja käyttäen. - Itse veikkaan, että ratkaisu piilee sub-planckisten defektien dynamiikassa. Omituinen tuo analogia joka tapauksessa on..
http://www.sofia.usra.edu/sci_vis/Astro2010/Penanen_condensed_matter_cosmology_CFP.pdf
http://users.physik.fu-berlin.de/~kleinert/kleinert/?p=worldcrystal
2. toukokuuta 2011 kello 16.31
“Toisaalta havaintojen kanssa tekemisissä olevilla fyysikoilla saattaa olla turhan herkkäuskoinen suhde teoreettisiin malleihin.”
Olen lukenut sekä hiukkasfysiikkaa, että astrofysiikkaa laudatur-tasolle asti. En allekirjoita yo. väitettäsi; eiköhän tällä tasolla ole puolin ja toisin täysi ymmärrys siitä, mitkä ovat mallien rajat kuvattaessa fysikaalista todellisuutta. Aloittelevallakin tutkijalla luulot oman mallin kattavuudesta karisevat yleensä varsin nopeasti. Hiukkasfysiikka muodostaa oikeastaan mallien tarkkuudessa poikkeuksen siinä mielessä, että yksittäinen tapahtuma voidaan kuvata hyvin tarkasti, kun mallinnettavien hiukkasten määrä on pieni tai tyyppejä on vain muutama. Kuvattaessa maailmankaikkeuden rakenteita ja tapahtumia tuntemattomien tekijöiden määrä näkyy tuloksissa paljon enemmän.
2. toukokuuta 2011 kello 17.02
Syksy kirjoitti:
“Tutkimusalat muotoutuvat sen mukaan, mitä tutkijat katsovat parhaaksi tehdä ja mihin tutkimus vie, niitä ei voi kukaan sanella.”
Mitkä tutkimusaiheet ovat mahdollisesti tällä hetkellä suosituimpia, eli onko “ryntäystä” joihinkin nimenomaisiin aloihin? Entä kuinka paljon tutkimusvalintoihin vaikuttavat käytettävissä olevat “työkalut”; esim. astrofyysikko tarvitsee kai mahdollisimman modernin observatorion ja henkilökohtaista aikaa istua teleskoopin äärellä?
3. toukokuuta 2011 kello 11.57
N.N.:
Jos on teoreetikko, ei ole harvinaista että ei tunne havaintoja hyvin ja että käsitys niistä on suodattunut niiden mallien läpi, jotka itse tuntee ja joista pitää.
Lähempänä havaintoja olevat toisaalta tuntuvat joskus ottavan teoriat vakavammin kuin teoreetikot itse. Osittain syynä voi olla se, että kokeellisesti testataan ensin yksinkertaisimpia malleja, joissa voi teoreetikkojen mielestä olla oikeita piirteitä, mutta niitä ei pidetä aivan uskottavina. (Esimerkiksi tarjottakoon Standardimallin supersymmetrisen version karsittu versio CMSSM.)
Molemmin puolin on toki myös aiheellista skeptisyyttä. Ainakin teoreetikot lisäävät havaitsijoiden tuloksiin tietyn epäilyvaran (etenkin mitä astrofysiikkaan tulee!), ja kuvittelisin monien havaitsijoiden tekevän samoin teoreettisille ideoille.
3. toukokuuta 2011 kello 12.05
Alan Dorkin:
Viime aikoina paljon huomioita saaneiden aiheiden selittäminen vaatisi oman merkintänsä, tai useamman sellaisen.
Astrofysiikkaa en tunne hyvin, enkä osaa sanoa teleskooppiaikojen merkityksestä.
6. toukokuuta 2011 kello 8.56
Sivuhuomio: pidän pilkuista desimaalierottimena suomenkielisessä tekstissä.
23. toukokuuta 2011 kello 23.18
Asiaan sen kummemmin perehtymättä, taitaa vaan olla niin, että suomeksi numerot kirjoitetaan muodossa “3,26″ eikä “3.26″.
24. toukokuuta 2011 kello 15.59
Nimi, Nipo:
Pidän pisteistä enemmän.
31. tammikuuta 2012 kello 23.35
[…] Nykykosmologian vahvuutena on se, että on suuri määrä erilaisia tapoja tehdä havaintoja ja ne tukevat toisiaan. Jos epäilee jotain tulosta, asian voi tarkistaa toisella menetelmällä. Moninaisista havainnoista voi erottaa kolme, jotka ovat erityisen tärkeitä: kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet, supernovien kirkkaudet ja galaksien jakauma. […]
25. maaliskuuta 2012 kello 0.09
[…] Viime syyskuussa OPERA-koe ilmoitti havainneensa neutriinojen matkanneen CERNistä 730 kilometrin päähän Gran Sasson laboratorioon nopeammin kuin mitä valo olisi kulkenut. Lehdistötiedotteessa korostettiin, että on tärkeää tarkistaa tulos riippumattomilla mittauksilla ennen johtopäätösten vetämistä. Tuloksista ja niiden mahdollisista tulkinnoista kuitenkin uutisoitiin ympäri maailmaa. […]