BLOGI: Maailmankaikkeutta etsimässä

Olen Etelä-Afrikassa, viime viikolla workshopissa Stellenbosch-instituutissa ja tällä viikolla vieraana University of Cape Townissa ja AIMS-instituutissa. Kuusitoista vuotta sitten päättyneen aparthaidin perintö näkyy raastavana taloudellisena epätasa-arvona, mutta poliittisen vallan ja sosiaalisten suhteiden kohdalla muutos on suuri. Valkoiset vaikuttavat olevan sujut aparthaid-historiansa kanssa, ja yliopistopiireissä on ainakin pinnalta katsoen integroituneempaa kuin Saint Louisissa Yhdysvalloissa.

Fyysikot yleensäkin edustavat eri etnisyyksiä, ja ovat keskivertoa vähemmän ennakkoluuloisia ulkonäön tai kansallisuuden perusteella, kenties myös taipuvaisempia hyväksymään yhteiskunnan muutoksia. Osittain tämä johtuu tutkimusympäristöstä: ihmiset siirtyvät instituutista toiseen ja vierailevat eri puolilla, ja fysiikassa oppii arvioimaan ihmisiä heidän työnsä perusteella ulkoisten seikkojen sijaan. Tieteellisiä julkaisuja lukiessa ei välttämättä tiedä kirjoittajien synnyinmaata, etnisyyttä tai edes sukupuolta.

Osansa lienee myös fysiikan koulutuksella ja tutkimuksen tekemisellä, joka opettaa miten asioita analysoidaan eikä vain assosioida. Fysiikassa hahmottaa, mitä asian todistaminen tarkoittaa, ja vielä tärkeämmin, oppii että on mahdollista osoittaa vastaansanomattomasti jonkin olevan väärin. Opinnoissa ja tutkimuksessa tulee väistämättä eteen kohtia, jossa pitää hyväksyä, että oma vankka näkemys ei pidäkään paikkaansa, mikä johdattaa arvioimaan kriittisesti omia lähtökohtia ja muuttamaan ajattelua. Suhteellisuusteoriaan ja kvanttimekaniikkaan perehtyessä on pakko hylätä käsitykset maailman toiminnan perusteista ja omaksua kokonaan uusi käsitys todellisuudesta. Toisaalta kosketus kokeelliseen fysiikkaan tekee tuntuvaksi epävarmuuden keskeisen roolin tietämisessä.

Nämä juonteet toki sijoittuvat isompaan ympäristöön, ja ovat vain eräs tekijä muiden joukossa. Vapaasta ajattelusta on matkaa toisinajatteluun, annettujen vaihtoehtojen punnitsemisesta niiden viitekehyksen hylkäämiseen. Tässäkin tiedetausta voi auttaa, joskaan vaikutusta ei pidä liioitella: Einsteinin esimerkkiä vastaan voi nostaa Heisenbergin, joka ajautui valtavirran mukana syövereihin asti.

Yhteisönä fyysikot ovat varsin epäpoliittinen joukko, ja vähemmän aktiivinen kuin vaikkapa poliittisen tieteen tutkijat. Koska tutkimuksen sisältö ei ole lainkaan poliittista, sen muutkin puolet koetaan herkemmin politiikan ulkopuolisiksi. Rahoituksen ja instituutioiden suhteen ei kuitenkaan ole kyse tieteen politisoimisesta, vaan olemassaolevan politiikan hahmottamisesta ja tietoisten valintojen tekemisestä muiden viitoittamien polkujen seuraamisen sijaan.

Etelä-Afrikan tapauksessa yliopistojen osallisuus aparthaidiin muiden instituutioiden ohella -Stellenbosch oli aatteen eräs keskus- oli yleisesti hyväksytty, ja syynä kattavaan akateemiseen boikottiin. Israelin aparthaidin tapauksessa Etelä-Afrikkaa rajoitetumpi akateeminen boikottikutsu ei ole vielä saanut yhtä paljon tuulta purjeisiinsa kuin muiden alojen boikotit, ja tässä asiassa fyysikot tuskin tulevat olemaan edelläkävijöitä.

Olen aiemmin maininnut naisten vähäisestä osuudesta fysiikassa ja arvellut sen mahdollisia syitä. Helsingin yliopistoon nyt palattuani huomasin että aiheesta on tutkimus “Tasa-arvon toteuttaminen fysiikan opinnoissa ja tutkijankoulutuksessa” neljän vuoden takaa.

Suomessa naisten osuus ylemmän korkeakoulututkinnon suorittaneista on 60%, yliopistotutkijoista 43% ja professoreista 21% (EUn korkein luku, surullista kyllä). Luonnontieteissä tilanne on epätasaisempi. Aloittavista Helsingin yliopiston fysiikan opiskelijoista kolmannes on naisia, maistereiden määrä on melko tasainen -jonain vuosina naisia on valmistunut jopa enemmän kuin miehiä- mutta tohtoreista naisia on neljännes, ja professoreista vain 10% (ainakin 2006 - suhde on herkkä muuttumaan, koska professorien lukumäärä on pieni).

Tutkimuksessa selvitettiin mahdollisia syitä jatko-opiskelijoita ja hiljattain väitelleitä haastattelemalla. Vastaukset sopivat yhteen omien vaikutelmieni kanssa. Miehet ovat taidoistaan itsevarmempia ja heidän koetaan tuovan itseään paremmin esille; toisaalta naiset esittävät valinnoilleen ennemmin perusteeksi pitävänsä jostain kuin olevansa hyviä. Mainitaan myös, että naiset kaipaisivat enemmän henkilökohtaista vuorovaikutusta ja sosiaalisuutta ja pitäisivät kilpailullisuutta ja opintojen yksinäisyyttä epähoukuttelevana. Niin naiset kuin miehet tuovat esille naisten kokemuksen ulkopuolisena fysiikan opiskelijoiden yhteisössä, enemmän opiskelijoiden kuin opettajien taholta, ja arvelun miesten suosimisesta paikkojen jakamisessa. Kumpaakaan seikkaa en osaa oikein arvioida - en tullut ajatelleeksi asiaa opiskelijana, enkä ole ollut mukana paikkojenjakotilanteissa - mutta en pidä epäuskottavana, etteikö niillä olisi merkitystä. Perheen ja tutkijan epävarman uran yhteensovittaminen mainitaan luonnollisesti myös.

Ei ole selvää, miksi nämä tekijät olisivat merkittävämpiä fysiikassa kuin muilla aloilla. Onko matematiikan opiskelu fysiikkaa sosiaalisempaa? Erityisesti fysiikkaa koskevana tekijänä haastateltavat mainitsevat, että aine koetaan koulussa liian matemaattisena tai teknisenä. Matematiikan opiskelijoista tosin on suurempi osa naisia kuin fysiikassa, joten ensimmäinen selitys ei kelvanne. Saattaa kyllä pitää paikkansa, että fysiikka liitetään liiaksi pelkästään tekniikkaan, eikä esimerkiksi luonnonilmiöiden kuten vaikkapa ilmaston lämpenemisen ymmärtämiseen. (En tosin tunne fysiikan nykyisiä koulukirjoja.) Toisaalta minusta kuulostaa hieman seksistiseltä, että luonto ja ympäristö kiinnostaisivat enemmän naisia - onko salamoiden fysiikka enemmän naisiin kuin miehiin vetoavaa? Jotain perää asiassa voi olla, koska ympäristöfysiikassa on naisia keskimääräistä suurempi osuus. Toisaalta naisia on vähiten teoreettisessa fysiikassa, jolla on vähemmän tekemistä tekniikan kanssa kuin kokeellisella fysiikalla.

Joka tapauksessa kokemukset koulussa ja muussa elämässä ennen yliopistoon tuloa voivat selittää vain aloittavien opiskelijoiden määrän epäsuhdan, eivät maisterin tutkinnon jälkeen tapahtuvaa suurta muutosta. Raportissa esitetään yhdeksi selittäväksi tekijäksi naisten suurempi osuus opettajiksi opiskelevista, joista harvempi jatkaa tohtoriksi asti. Opettajalinjalaisten ero naisten ja miesten välillä ja osuus opiskelijoista on kuitenkin niin vähäinen, että tällä ei vaikuta olevan paljon merkitystä. Eräs mahdollinen seikka, jota tutkimuksessa ei käsitellä, on se, että fysiikka saattaisi olla kansainvälisempi kuin muut alat, ja sukupuolten jakauma akateemisessa maailmassa on ulkomailla tyypillisesti vielä vinoutuneempi kuin Suomessa.

Haastattelututkimukset ovat hyvä tapa selvittää henkilöiden kokemuksia, mutta on syytä muistaa niiden välillinen suhte todellisuuteen. Esimerkiksi vastaajien arvelut siitä, mitä aiheita naiset pitäisivät fysiikassa kiinnostavina kertovat naiskuvasta, mutta niiden tulkitsemisessa naisten mieltymyksiksi pitää olla varovainen. Samoin joidenkin jatko-opiskelijoiden esille tuoma pettymys ohjauksesta kertoo odotusten ja todellisuuden eroista, missä ei aina ole kysymys ohjauksen puutteista.

Kaikkiaan kuitenkin, olipa ensisijainen syy fysiikan miesvaltaisuuteen alan koettu teknisyys tai jokin muu, asenteet yliopistossa tuntuvat tätä epäsuhtaa syventävän. Kun maistereiden luvut jo menevät sukupuolten kesken tasan, niin osuuden nostamisen korkeammilla tasoilla ei luulisi olevan ylitsepääsemätöntä.

Olen viime aikoina tutkaillut yleisen suhteellisuusteorian ja Newtonin gravitaatioteorian eroa. Yleinen suhteellisuusteoria on viimeisin sana painovoimasta: 90-vuotiaana se ei varsinaisesti ole tuore, mutta porskuttaa vieläkin, ja Newtonin yli 300 vuotta vanhaan teoriaan verrattuna suhteellisuusteoria on kovin nuorekas.

Suhteellisuusteoria on Newtonin teoriaa rikkaampi ja kauniimpi, mutta yleisesti ajatellaan, että erot ovat pieniä kun gravitaatiokenttä on heikko ja liikkeet ovat hitaita verrattuna valon nopeuteen. Tämä pitääkin paikkansa kun kyse on eristetyistä systeemeistä, joiden voi ajatella sijaitsevan keskellä tyhjää tilaa kenenkään ulkopuolisen häiritsemättä. Esimerkiksi aurinkokunnassamme suhteellisuusteorian merkitys on vähäinen, ja kappaleiden liikkeet voi ennustaa tarkkaan Newtonin teoriasta.

Tarkasteltaessa maailmankaikkeutta kokonaisuutena asia ei ole aivan selvä. Tällöin yleisen suhteellisuusteorian ja Newtonin gravitaatioteorian välillä voi olla merkittäviä eroja, vaikka gravitaatio olisikin heikko, koska ainetta on niin paljon kaikissa suunnissa. Newtonin gravitaatioteorian mukaan kahden kappaleen välinen voima heikkenee kuin etäisyyden neliö, mutta toisaalta jokseenkin tasaisen ainejakauman tapauksessa tietyllä etäisyydellä olevien kappaleiden lukumäärä kasvaa samaa tahtia. Niinpä äärettömän kaukana olevien kappaleiden painovoima on yhtä oleellinen kuin aivan vieressä sijaitsevien. Tämä on hankalaa ja omituista, ja onkin kyseenalaista, onko mielekästä edes puhua newtonilaisesta teoriasta kun tarkastellaan äärettömiä systeemejä. Suhteellisuusteorialla ei moista pulmaa ole.

Voi tuntua yllättävältä, että suhteellisuusteorian suhde Newtonin vielä vanhempaan teoriaan on vielä joiltain osin epäselvä, aikaa setvimiseen kun on ollut melkoisesti. Kysymystä ei kuitenkaan ole pidetty tärkeänä, koska yleensä maailmankaikkeuden kehitystä kuvataan malleilla, joissa aine on jakautunut täysin tasaisesti, jolloin suhteellisuusteorian käyttäminen on helppoa. Kun tarkastellaan rakenteiden kuten galaksiryppäiden muodostumista, tilanne on monimutkaisempi, ja yleensä käytetään ainoastaan Newtonin teoriaa. Vasta kun katsotaan rakenteiden muodostumisen vaikutusta maailmankaikkeuden laajenemiseen, pitää teorioiden yhteyttä ruotia tarkemmin.

Rakenteiden vaikutus on pääasiallinen tutkimuskohteeni, ja kysymyksenasettelu on nyt kiteytynyt siihen, että jos rakenteilla on maailmankaikkeuden laajenemiselle merkitystä, niin suhteellisuusteorian ja Newtonin teorian eron täytyy olla iso. Lähtiessäni tutkimaan aihetta seitsemisen vuotta sitten en aavistanut, että se liittyy tähän kiintoisaan ongelmaan. On ilahduttavaa kun tutkimusaihe vie arvaamattomille poluille, joilla avautuu uusia näkymiä.

Tutkimuksesta puhuttaessa usein korostetaan löytöjä, joko todellisia tai spekulatiivisia. Tutkimuksen tekeminen löytöjen tavoittelemiseksi on kuitenkin mielestäni henkisesti raskasta. Jos haaviin ei jääkään mitään uutta, onko työ ollut turhaa? Löytöjen perässä kiiruhtaminen ei myöskään aina tuota parasta tulosta edes metsästysonnea silmälläpitäen. (Suuri osa tutkimuksesta on joka tapauksessa jo tunnettujen asioiden hiomista.) On luontaista haluta tehdä löytöjä, haluta olla oikeassa, mutta ponnistelun tyydytys riippuu siitä, saako kunnianhimon kohteen kiinni vai jääkö se saavuttamatta. Jos sen sijaan tavoitteena on asioiden parempi hahmottaminen, niin seikkailu tuntemattomassa maastossa on oma palkkionsa, olipa matkan loppu mikä vain. Tutkijoilla sekoittuvat nämä motiivit eri suhteissa: harva ei lainkaan toivo, että oma ehdotus olisi oikein.

Vaikka osoittautuisi, että suhteellisuusteorian ja Newtonin teorian ero ei ole kosmologiassa tärkeä ja rakenteiden vaikutus laajenemiseen on vähäinen, eli ideani ei pitäisi paikkaansa, eivät siihen kietoutuneet vuodet ole menneet hukkaan. Maailman syvempi ymmärtäminen on tyydyttävää sinällään.

Ollessani ystävieni lapsen kahdeksanvuotispäivillä tämä halusi tietää miten mustat aukot kasvavat, ja esitti nipun kysymyksiä madonrei’istä. Mustien aukkojen kasvaminen onkin mielenkiintoinen tieteellinen kysymys, madonreikien merkitys todellisuuden kuvailussa sen sijaan on kyseenalainen.

Kahdeksanvuotiaana ei luonnollisesti erota tunnettua tiedettä ja spekulaatiota, tarkemmin sanottuna ei osaa arvioida spekulatiivisuuden asteita. (Doctor Who lienee vaikuttanut madonreikäkiinnostukseen, mutta olipa päivänsankari vaikuttunut lahjaksi antamastani LHC-pop-up-kirjastakin, joka ponnistaa tieteen ytimestä.) Mutta monilla aikuisillakaan ei ole käsitystä siitä, mikä on vakaata totuutta ja mikä haparoivaa tunnustelua. Kouluopetuksen antamat perustiedot maailmasta ovat puutteelliset, ja osittain voi suunnata katseen tiedeuutisoinnin ongelmiin. Toimittajia olisi helppo syyttää, ja onkin totta että tiedetoimittajat yleensä tietävät aiheestaan merkittävästi vähemmän kuin vaikkapa urheilutoimittajat tai ulkomaankirjeenvaihtajat.

Tiede on valtava, koko ajan kasvava alue, jonka uskollinen kuvaaminen olisi hankalaa parhaissakin olosuhteissa. Asiaa ei helpota se, että tieteen vakaan keskuksen ja epämääräisten seutujen rajavesiä sekoittavat usein tutkijat itse. Kun jotkut kosmologian arvostetuimmista nimistä puhuvat toisista maailmankaikkeuksista, solipsistisesta maailmankuvasta ja aikamatkoista kuin nämä olisivat tieteen tärkeimpiä kysymyksiä, eikä yhtä voimakkaita soraääniä kuulu, ei ole kumma, jos toimittaja pitää aiheita artikkelin arvoisina.

Tieteen normien mukaan jokainen saa itse päättää tutkimusaiheistaan, ja yleisesti mielenkiinnottomina (tai mielettöminä) pidettyjen ideoiden suodattuminen hoituu siten, että niitä tutkivat eivät saa paikkoja, apurahoja tai arvostusta. Toisten työtä ei yleensä aktiivisesti vastusteta, ellei se osu oman tutkimuksen tielle. Merkittävää työtä tehneiden vanhempien tutkijoiden kohdalla ei ole tällaista kontrollia, joten jotkut heistä ajavat vapaasti kaikenlaisia ideoita.

Moinen ei ole haitaksi: tieteen sisällä on villi spekulaatio pahimmillaankin lähes harmitonta. Mutta kun tieteilijät eivät herkästi astu populaarille areenalle kritisoimaan kollegoitaan, voi spekulatiivisten ideoiden paikasta tieteessä jäädä yleisölle harhaanjohtava vaikutelma, koska toimittajatkaan eivät katso asiakseen kritisoida tieteentekijöitä. Taloustoimittaja voi kritisoida yrityksiä, politiikasta kirjoittava voi haukkua poliitikkoja, mutta koska tiedetoimittaja moittisi tieteilijöitä näiden tutkimusaiheista?

Pari päivää syntymäpäivien jälkeen fyysikkoystäväni King’s Collegessa kertoi, että häntä oli pyydetty BBC:n uutislähetykseen (vai olikohan kyseessä Channel 4) kommentoimaan erään tunnetun hiukkasfyysikon ajassa taaksepäin matkaamiseen ja LHC:llä tehtäviin korttitemppuihin liittyvää artikkelia. Hän kieltäytyi, koska ei halunnut mennä sanomaan, että kyseinen työ on silkkaa roskaa. Toisaalta, jos kieltäytyminen johtaa siihen, että aiheesta ei uutisoida ollenkaan, niin se on parempi kuin uutinen kritiikin kera. On vaikea sanoa, miten yleisö kuulee voimakkaalta kuulostavan väitteen ja sitä kohtaan esitetyt vastalauseet. Kun varmatkin sata vuotta vanhat tieteen löydöt ovat vieraita ja kummallisia, uusien väitteiden arvioiminen vaatisi kunnollisen peruskäsityksen tieteestä, mitä spekulaatioiden innokas uutisointi juuri nakertaa.

Siirtyminen eri työpöydän ääreen Saint Louisiin, Montrealiin, Chicagoon, Annecyyn, Kööpenhaminaan ja tällä viikolla Lontooseen King’s Collegeen on helppoa, koska hiukkaskosmologian tutkimusyhteisö on lohdullisen samanlainen kaikkialla (joitain ominaispiirteitä toki on). Yksi syy tähän on se, että fysiikan tekeminen on vain heikosti kulttuurisidonnaista, ja yhteistyötä tehdään itsestäänselvästi rajojen yli. Toisaalta kun sopimukset ovat parivuotisia, niin ihmiset siirtyvät paikasta toiseen, ja samaa väkeä tapaa ympäriinsä. Monet toki lopulta palaavat kotimaahansa jos se on mahdollista, ja monessa maassa pysyvät työpaikat ovat enimmäkseen paikallissyntyisten hallussa, vaikka varhaisemmassa vaiheessa oleva tutkijakaarti onkin kirjavampaa.

Omat vierailuni eivät yleensä ole sitä varten, että menisin työskentelemään jonkin tietyn asian parissa. Meneillään on aina useampia projekteja, ja se, mitä raapustan tai naputan milloinkin riippuu vain heikosti siitä, missä olen tai mihin suuntaan lentokone on matkalla. Yliopistoissa ja tutkimusinstituuteissa vieraillessa puhun siitä mitä olen tutkimassa ja tutustun siihen mitä paikalliset tekevät. Joskus mielessä on valmiiksi yhteistyötä, toisinaan keskusteluista seuraa joku yhteinen projekti. Usein ne eivät heti johda mihinkään, mutta herättävät ajattelemaan asioita uudelta suunnalta, jonne saattaa myöhemmin rakentua jotain.

Tieteellisen ajattelun kannalta on avartavaa ja stimuloivaa vierailla muualla, sosiaalista puolta unohtamatta - lisäksi teoreetikkona on kiehtovaa nähdä kokeellisten fyysikoiden laitteita ja menetelmiä. Vaikka kollegoihin on yhteydessä sähköpostein, uusissa paikoissa käyminen ja ihmisten tapaaminen tuo välittömyyttä ja yllättäviä vuorovaikutuksia, joilla ei ole vertaista. Samasta syystä tutkimukselle on hyväksi, että väittelemisen jälkeen on pakko lähteä ulkomaille ja kerätä kokemusta, olkoonkin että lyhyisiin paikkoihin liittyvä epävarmuus on fyysikon puuhan raskain puoli ja muulle elämälle rasitteeksi. Juuri alkaneen monivuotisen paikan huomasta on toki helppo nähdä vaihtuvuuden hyvät puolet rasitteiden sijaan.

Käytän kevään ja kesän aikana mahdollisuuttani vielä matkata vapaasti ja vierailen eri instituuteissa ennen kuin olen syyskuusta alkaen kiinni luennoissa Helsingissä.

Eilen lounastin Dark Cosmology Centren katolla, tänään kirjoitan Niels Bohr International Academyssä Kööpenhaminassa. Toisin kuin joissakin muissa paikoissa, ensiksimainitun rakennus on uusi ja hyväkuntoinen. Katon ei tosin taata kestävän ihmisten painoa, mikä tuo hieman jännitystä arkiseen voileipähetkeen. Tilan remontoiminen sääntöjen mukaiseksi tulisi kalliiksi paloturvallisuuden ja muiden pikkuseikkojen takia; tämänhetkinen palosuunnitelma on heittää opiskelijat ensin alas pehmustamaan muiden laskua.

Juuri ilmestyneessä Tähdet ja avaruus -lehden numerossa 4/2010 on Anne Liljeströmin artikkeli pääasiallisesta tutkimuskohteestani, siitä miten rakenteiden muodostuminen saattaisi selittää maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen ilman pimeää energiaa.

Monesti toimittajat esittävät tutkijan fiksumpana kuin tämä onkaan, kenties kuvitellen kaikkien fyysikoiden olevan jotenkin nerokkaita. Taannoin Ylioppilaslehden toimittaja kysyi mikä on vahvuuteni tutkijana, ja vastasin, että kysyn tyhmiä kysymyksiä enkä usko kaikkea mitä ihmiset sanovat. Lehteen vastaus päätyi muodossa ”minusta tutkijan on tärkeää kyseenalaistaa annetut totuudet”. Olen myös törmännyt vastakkaiseen käytökseen, jossa toimittaja on itsepintaisesti ymmärtänyt fysiikan toistuvasti väärin ja kieltäytynyt edes lähettämästä artikkelin vedosta faktakorjausta varten.

Toisaalta voi hirvittää toimittajien työhön kuuluva siistiminen ja lyhentäminen, kun oman nimen alle saattaa päätyä tiedeyhteisössä voimakkaita tunteita herättäviä lausumia. Olen kerrankin ollut tyytyväinen siitä, että harva kosmologi lukee erästä hollantilaista tiedelehteä - olen jo unohtanut mikä lehti oli kyseessä, ja saattoipa se olla belgialainenkin, mutta muistan väreet lukiessani sanomisikseni laitettua kritiikkiä kollegoitani kohtaan. Tällaiset kokemukset auttavat kyllä suhtautumaan lukemiinsa haastatteluihin tietyllä suodattimella.

Enimmäkseen haastattelukokemukset ovat kyllä olleet hyviä, toisinaan toimittajien taito löytää valaisevia kysymyksiä jopa yllättää. Omaa alaa tietysti pitää selkeänä ja ymmärrettänä, vasta katsoessa muiden tieteiden menoja saa tunnun siitä, miten vaikeassa maastossa tiedejournalisti liikkuu. Tieteen keskeinen piirre on uuden etsiminen, joten siitä kirjoittaminen asiantuntevasti on haastavaa. (Mikä osittain selittää populaarien tiedeuutisten tavanomaisen harhaanjohtavuuden.) Tämän Tähdet ja avaruus -artikkelin kohdalla ei ollut ongelmia ymmärryksen tai yliarvostuksen suhteen, kenties toimittajan tiedetaustalla on osuutta asiaan.

Olen maininnut estetiikan tärkeästä roolista fysiikassa. Eräs sen keskeinen ilmenemistapa on symmetria. Symmetria tarkoittaa sitä, että jokin piirre säilyy samana tietyssä muunnoksessa. Esimerkiksi pallo näyttää samalta, pyörittipä sitä miten vain: tilanne on symmetrinen kaikkien avaruuden kiertojen suhteen. Sylinterillä on vähemmän symmetriaa: on vain yksi akseli, jonka ympäri kierrettäessä se säilyy samana. Molemmissa tapauksissa on kyseessä jatkuva symmetria, eli muutosta voi tehdä miten vähän vain kerrallaan. Toinen mahdollisuus on diskreetti symmetria, jossa on vain äärellinen määrä muunnoksia. Esimerkiksi kuutio näyttää samalta vain 90 asteen kierroissa, joten muunnoksia on vain kolme per suunta. Ihminen näyttää likipitäen samalta, jos peilaa vasemman ja oikean toisikseen, muunnoksia on vain yksi.

Fysiikassa sekä jatkuvat että diskreetit symmetriat ovat tärkeitä. Osa symmetrioista liittyy siihen, miten maailmaan hallitsevat lait käyttäytyvät kun avaruutta muutetaan. Esimerkiksi klassisen mekaniikan eräs määrittelevä piirre on, että fysiikan lait näyttävät samalta, olipa nopeus, suunta tai paikka mikä hyvänsä. Toisin sanoen, klassinen mekaniikka on symmetrinen avaruuden kiertojen, siirtojen ja nopeuden vakiomuutoksen suhteen. Vastaavasti suppea suhteellisuusteoria on symmetrinen aika-avaruuden kiertojen ja siirtojen suhteen. Se, että valon nopeus on sama kaikille havaitsijoille nostetaan usein keskeiseksi esitettäessä suppean suhteellisuusteorian alkeita. Modernista näkökulmasta se on kuitenkin seuraus teorian symmetriasta, ei oletus.

On myös symmetrioita, jotka liittyvät avaruuden sijaan sitä asuttavien fysiikan olioiden muuntamiseen toisikseen. Esimerkiksi sähkömagneettinen vuorovaikutus juontuu siitä, että teoria on muuttumaton sähkökenttien ja magneettikenttien tietynlaisessa kiertämisessä toisikseen. Supersymmetria on (spekulatiivinen) diskreetti symmetria, jossa bosonit ja fermionit vaihdetaan keskenään. Tämä kuulostaa mielivaltaiselta idealta, mutta itseasiassa supersymmetria seuraa siitä, että halutaan yhdistää teorian symmetria avaruuden muunnoksissa ja olioiden muunnoksissa - tämän ymmärrettäväksi tekeminen vaatisi monta sanaa.

Useat kauaskantoiset piirteet seuraavat yksinkertaisista symmetrioista, kuten suppea suhteellisuusteoria osoittaa. Monesti ajatellaan, että edistyneemmät fysiikan teoriat ovat aina vain symmetrisempiä. ja että tärkein osa uuden teorian rakentamista on symmetrian valitseminen. On kuitenkin mahdollista, että systeemin perustavanlaatuisemmalla kuvailulla onkin vähemmän symmetriaa kuin sillä minkä nyt tunnemme. Esimerkiksi on symmetrioita, vaikkapa aineen ja antiaineen symmetria, jotka pitävät vain likipitäen paikkansa, siten että tarkemmin katsottuna asiat ovatkin vähemmän kohdallaan. Kenties havainnollisempi esimerkki on se, että jos vettä kuvaa nesteenä, teoria on symmetrisempi kuin molekyylejä tarkastellessa. Tähän asti todellisuuden syvempi ymmärtäminen on tapahtunut uusien symmetrioiden kautta, esimerkiksi siten, että löydettiin sähköheikko symmetria havaitsemamme särkyneen maailman vihjeiden perusteella. Mutta malja on vielä löytymättä, eikä tiedetä, minne tie vie.

Kirjoitin edellisessä merkinnässä siitä, miten virheellinen arkikäsityksemme maailmasta on kvanttimekaniikan valossa. Toinen modernin fysiikan peruskivistä, suhteellisuusteoria, on yhtä lailla kummallista. (Peruskivien yhteen muuraamisesta, ks. Maljan jäljillä.) Siinä missä kvanttifysiikan omituisuudet liittyvät epädeterminismiin, suhteellisuusteoria osoittaa, miten väärä on yksinkertainen käsityksemme ajasta ja avaruudesta.

Suhteellisuusteorian mukaan aika ja avaruus eivät ole toisistaan riippumattomia, vaan muodostavat erottamattoman kokonaisuuden. Suppea suhteellisuusteoria, jossa tämä ajatus on täsmällisesti muotoiltu, oli valmis 1905. Yleinen suhteellisuusteoria käsittelee sitä, miten aika-avaruus ja sen sisältämä aine vuorovaikuttavat keskenään, ja se saavutti lopullisen muotonsa vuonna 1915. Suhteellisuusteoria on siis vielä vanhempaa perua kuin kvanttimekaniikka, ja se on yleisesti paremmin tunnettu. Se, että valon nopeutta ei voi ylittää on scifin myötä osa populaarikulttuuria, ja niinkin tekninen asia kuin massaan liittyvän energian määrää kuvaava yhtälö on tuttu lukemattomista huumorikuvista.

Nimi suhteellisuusteoria tulee siitä, että tietyt asiat ovat erilaisia eri havaitsijoille, eli suhteellisia. Valinta on sikäli onneton, että klassinen mekaniikka on yhtä lailla suhteellista, ja molemmissa teorioissa on myös asioita, jotka ovat samoja kaikille havaitsijoille. Teoriat eroavat vain siinä, mitkä asiat ovat suhteellisia ja mitkä eivät.

Esimerkiksi molemmissa teorioissa nopeus on suhteellista: lentokoneen nopeus matkustajan suhteen on nolla, taakse jäävän linnun suhteen satoja metrejä sekunnissa. Vastaavasti liike-energia riippuu havaitsijasta. Toisaalta esimerkiksi massa ei ole suhteellinen kummassakaan teoriassa. Suppean suhteellisuusteorian määrittelevänä piirteenä voi pitää sitä, että valon nopeus ei ole suhteellinen, vaan sama kaikille. Tässä mielessä nimi on erityisen harhaanjohtava - yhtä hyvin voisi puhua absoluuttisuusteoriasta.

Klassisessa mekaniikassa pituusvälit ja aikavälit ovat samoja kaikille: kellon nopeus ei vaikuta sen käyntiin. Suhteellisuusteoriassa esineiden pituus ja tapahtumien kesto kuitenkin ovat suhteellisia, koska liike yhdistää ne toisiinsa ajan ja avaruuden välisen riippuvuuden kautta. Nopeammin liikkuvan havaitsijan kello kulkee hitaammin, ja esineet ovat lyhyempiä. Jos kiitää LHC:n protonien nopeudella maapallon suhteen, niin pallon pintaa tallustavan ihmisen pituus on noin 0.5 millimetriä - pitkät yksilöt yltävät lähes 0.6 millimetriin. Tarkemmin sanottuna esineet liiskaantuvat vain suhteessa menosuuntaan, eli maapallo olisi 13 000 kilometriä leveä ja neljä kilometriä paksu levy. Vastaavasti havaitsijan kellon mukaan kuluu vain sekunti, kun maapallolla vierähtää vuosi.

Korostettakoon, että ei ole oikein sanoa, että esineet vain näyttävät liiskatuilta tai aika vain näyttää kuluvan hitaammin, sen enempää kuin sanottaisiin, että junan nopeus näyttää isommalta kun seisoo laiturilla sen sijaan, että olisi mukana vaunussa.

Suhteellisuusteorian kummallisuus ei lopu tähän. Arkijärjen mukaan voi ajatella, että jotkut asiat tapahtuvat samaan aikaan, riippumatta siitä, kuinka kaukana ne ovat toisistaan avaruudessa. Suhteellisuusteoriassa kuitenkin tapahtumien aikajärjestys on suhteellinen, jos kahden tapahtuman aikaväli on niin lyhyt, että valo ei olisi ehtinyt matkata niiden välillä. (Tämä johtaisi kaikenlaisiin paradokseihin, jos informaatiota voisi välittää valoa nopeammin.)

Asiaa voi havainnollistaa seuraavalla esimerkillä. Kaksi henkilöä, toinen Helsingissä ja toinen Melbournessa, laittavat kellonsa samaan aikaan, ja sopivat että helsinkiläinen lähettää sähköpostiviestin kello 14:00:00 ja melbournelainen 14:00:02, kaksi sekunnin sadasosaa myöhemmin. Jos liikkuu tarpeeksi suurella nopeudella suhteessa Maahan, niin voi nähdä sähköpostin lähtevän ensin Melbournesta ja sitten Helsingistä.

Epäilyjen varalta sanottakoon että suhteellisuusteoria, kuten kvanttimekaniikka, on varmennettu kokeellisesti erittäin tarkasti. Kyse ei ole tieteellisestä spekulaatiosta, vaan tunnetuista tosiseikoista. Yllä kuvatut ilmiöt ovat suppeaa suhteellisuusteoriaa; yleinen suhteellisuusteoria, jossa aika-avaruus muuttuu ja kehittyy, sisältää vielä oudompaa käytöstä.

Aivojemme intuitiivinen kuva ajasta, avaruudesta ja aineesta on perusteiltaan täysin virheellinen, vaikka kuvaakin arkisia ilmöitä tarkasti. On kiehtovaa, että samanlainen tilanne tulee vastaan tarkasteltaessa aivojemme käsitystä monimutkaisimmasta tunnetusta fysikaalisesta systeemistä, ihmisaivoista itsestään. Meillä on intuitiivinen malli siitä, miten ajattelemme ja teemme päätöksiä: esimerkiksi koemme että meillä on vapaa tahto. Tutkimus on kuitenkin osoittanut tämän kuvan olevan harhainen siinä missä luulomme aika-avaruudesta. Tästä aiheesta pidin itse valaisevana Wolf Singerin CERNissä pitämää puhetta.

Olen kirjoittanut enimmäkseen nykyfysiikasta ja ajankohtaisista tutkimuskohteista, kuten pimeästä aineesta, pimeästä energiasta, inflaatiosta ja supersymmetriasta. Virtuaalisten hiukkasten yhteydessä kvanttimekaniikan arkijärjen vastaiset piirteet tulivat esille, joten palaan tähän lähes sata vuotta vanhaan asiaan.

Kvanttimekaniikka sai alkunsa onnistuneena yrityksenä korvata klassisen mekaniikan lait, jotka käsittelivät sitä, miten kokoelma keskenään vuorovaikuttavia hiukkasia käyttäytyy. Tämä hiukkasia käsittelevä kvanttimekaniikan perusteoria saavutti lopullisen muotonsa 1930-luvun alkuun mennessä. Samaa matemaattista rakennetta sovellettiin sitten hiukkasten sijasta kenttiin ja saatiin aikaan kvanttikenttäteoria, joka kuvaa suhteellisuusteorian ohella todellisuutta perustavanlaatuisimmalla tasolla, mihin on toistaiseksi päästy.

Kvanttifysiikan vaikutus arkielämään on ollut perinpohjin mullistava - esimerkiksi kaikki elektroniikka ja moderni kemia pohjaa kvanttiefektien ymmärtämiseen. Kvanttimekaniikka on myös muuttanut täysin käsityksemme todellisuuden luonteesta. Populaarin tason selvityksen tästä yli 80 vuotta vanhasta teoriasta pitäisi kuulua peruskouluopintoihin.

Kvanttimekaniikka on kuitenkin yleisesti huonosti tunnettua. Fysiikassa se on arkinen työkalu, mutta tutkijayhteisön ulkopuolella kvanttimekaniikkaan tuntuu liittyvän paradoksaalisuuden ja kummallisuuden ilmapiiri. On syytä korostaa, että kvanttimekaniikka on sisäisesti ristiriidaton teoria ja sopusoinnussa havaintojen kanssa, joten siinä ei ole mitään paradoksaalista. (Klassinen fysiikka sen sijaan on hyvin paradoksaalinen: se on ristiriidassa sekä itsensä että havaintojen kanssa - siksi se korvattiinkin modernilla fysiikalla.) Kummallista kvanttimekaniikka kyllä on, koska sen näyttämä kuva maailmasta eroaa merkittävästi arkikäsityksistä.

Kvanttimekaniikan keskeinen piirre on se, että maailma on epädeterministinen. Tämä tarkoittaa, että on olemassa asioita, joita ei voi periaatteessakaan ennustaa. Tarkemmin sanottuna, on olemassa asioita, joiden tila ei ole määrätty. Esimerkiksi alkeishiukkasella ei yleensä ottaen ole mitään yhtä sijaintia, vain tietty todennäköisyys olla eri paikoissa.

Se, että kaikkea ei voi ennustaa, ei ehkä ensikättelyssä tunnu huolestuttavalta. Arkielämässäkin kyky ennustaa tulevaisuutta on heikko, koska arkiset systeemit ovat niin kovin monimutkaisia. Mutta se piirre, että asiat eivät ole lainkaan määrättyjä, on hyvin vierasta. Jos heitän kolikon ilmaan, en pysty arvioimaan tarkkaan miten se pyörii lentäessään tai mihin se laskeutuu, mutta tuntuu itsestään selvältä että kolikolla kuitenkin on koko ajan tietty suunta, paikka ja nopeus. Se ei kuitenkaan ole totta.

On olemassa tunnettuja koejärjestelyjä, jotka osoittavat, että asioilla ei aina ole määrättyä tilaa, kuten kaksoisrakokoe. Mainitsen näistä Bellin epäyhtälön, jonka itse koin aikoinaan valaisevaksi. Idea on seuraava. Otetaan kaksi hiukkasta, vaikkapa elektronia, jotka lähtevät samasta paikasta eri suuntiin. Elektroneilla on ominaisuus nimeltä spin, joka voi saada kaksi eri arvoa, sanotaan vaikka ylös ja alas. Kokeessa elektronien spinit eivät ole riippumattomia toisistaan. Yksinkertaisimmassa tapauksessa, jos yhden elektronin spin on ylös, niin toisen spin on alas. Yhteys voi myös olla monimutkaisempi, siten että jos mitataan yhdelle hiukkaselle spin ylös, niin toisen spinillä on tietty todennäköisyys olla alas.

Jos oletetaan vain että kummankin elektronin spinillä on koko ajan joku määrätty arvo ja että spinien mittaukset ovat riippumattomia, voidaan johtaa Bellin nimellä kulkeva epäyhtälö, joka rajoittaa sitä, mikä spin-mittausten tilastollinen yhteys voi olla. (Bellin teoreemasta ja sen merkityksestä todellisuuskäsitykselle enemmän Kyösti Blinnikkan graduun pohjaavassa katsauksessa; epäyhtälön yksityiskohtia voi katsastaa täältä.)

Kokeellisesti havaitaan, että Bellin epäyhtälö ei päde. Toisin sanoen joko spineillä ei ole koko ajan määrättyä tilaa, tai kahden mittauksen välillä on aina jokin yhteys - vaikka ne tehtäisiin niin nopeasti peräjälkeen, että valo ei ehdi matkata niiden väliä. Kvanttimekaniikassa pätee ensimmäinen vaihtoehto: hiukkasten spineillä ei ole mitään arvoa ennen kuin ne on mitattu. Sama koskee kaikkia muitakin hiukkasten ominaisuuksia: asioilla ei yleensä ole määrättyä tilaa. Tämä tietysti pätee myös hiukkasista koostuviin kokonaisuuksiin, kuten kissoihin, koiriin ja sateenvarjoihin. Käytännön merkitys on arkiskaalalla mitätön, mutta periaate ei siitä kalpene.

Ajattelumme on kehittynyt evoluution myötä arvioimaan ympäristöä tietyllä pituus- ja aikaskaalalla. Käsityksemme todellisuudesta heijastaa vain niitä fysiikan piirteitä, jotka ovat merkittäviä tällä rajoitetulla alueella. Kvanttimekaniikan paljastamat pienen skaalan ilmiöt avaavat ovet syvempään todellisuuteen, joka vaikuttaa vieraalta ja epätodelta. Mutta vika ei ole maailmassa, vaan aivoissamme, joiden karkea todellisuuskuva on ainoa mittamme sille, mikä tuntuu todelta. Yhtä lailla suhteellisuusteoria osoittaa, että arkikäsityksemme ajasta ja paikasta on virheellinen - mutta se on toinen totuus, josta kenties myöhemmin lisää.