BLOGI: Maailmankaikkeutta etsimässä

Vuoden 2011 Nobelin palkinto fysiikasta on on myönnetty Saul Perlmutterille, Brian Schmidtille ja Adam Riessille “maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen löytämisestä kaukaisten supernovien havaintojen avulla”. Kuten kokeellisen fysiikan puolella nykyään aina, palkinto tulee isojen tutkimusryhmien työstä, joita nimetyt henkilöt edustavat.

Perlmutter johti Supernova Cosmology Projectia ja Schmidt ja Riess taasen olivat kärkihahmoja ryhmässä nimeltä High-z Supernova Search Team. Molemmat tutkimusryhmät mittasivat kaukaisten supernovien –työelämänsä räjähtävästi lopettavien tähtien– kirkkauksia ja päättelivät tästä miten etäisyydet ovat muuttuneet maailmankaikkeudessa muutaman viime miljardin vuoden aikana. Vuonna 1998 julkistettujen tulosten mukaan etäisyydet ovat kasvaneet odotettua enemmän, ja tämän tulkittiin johtuneen siitä, että maailmankaikkeuden laajeneminen olisi kiihtynyt. Nobel-komitealla on populaari katsaus aiheeseen sekä tietopitoisempi ja matemaattisempi esitys.

Olen aiemmin kirjoittanut havainnoista ja niiden tulkinnasta. Matkalla voidaan erottaa kolme vaihetta.

Ensin tulevat havainnot supernovien kirkkauksista ja etäisyyksien lukeminen niistä. Idea on yksinkertainen: mitä himmeämmältä supernova näyttää, sitä kauempana se on. Kun mitataan eri aikoina räjähtäneitä supernovia (joiden valo saavuttaa meidät vasta nyt), voidaan selvittää miten maailmankaikkeuden pituusskaala on muuttunut ajan myötä. Käytännön toteutuksessa on kaikenlaisia ongelmia ja etäisyysmittauksiin suhtauduttiin jonkinlaisella varauksella joitakin vuosia. Myöhemmät havainnot niin supernovista kuin kosmisesta mikroaaltotaustastakin ovat kuitenkin osoittaneet Perlmutterin, Schmidtin ja Riessin ryhmien analyysin paikkansapitävyyden. Enää ei voi järkevästi epäillä noita 13 vuoden takaisia tuloksia.

Toinen vaihe on maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden päätteleminen etäisyyksistä. Tämä kuulostaa helpolta. Jos tietää miten etäisyydet muuttuvat ajan myötä, eikö tämä ole sama kuin nopeuden tunteminen? Tilannetta kuitenkin mutkistaa se, että etäisyyksiä ei selvitetä mittanauhalla paikallaan pysyvässä avaruudessa, vaan ne pitää päätellä valon kulusta kehittyvässä avaruusajassa. Tässä yleensä oletetaan, että maailmankaikkeuden laajenemista ja valon kulkua voidaan tarkastella mallissa, jossa maailmankaikkeus on täysin tasainen: ei ole mitään galakseja tai muita rakenteita, kaikki paikat ovat samanlaisia ja joka suunnassa näyttää aivan samalta. Sitten laajenemisnopeuden ja valon liikkeiden välillä on yksinkertainen yhteys. Tätä yhteyttä käyttäen etäisyyksistä voidaan päätellä, että maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt viimeisen muutaman miljardin vuoden aikana.

Koska maailmankaikkeus ei ole täysin tasainen, tämä askel on edellistä horjuvampi. Maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta on kuitenkin muutaman viime vuoden aikana saatu riippumattomia mittauksia, jotka sopivat yhteen etäisyysmittausten kanssa. Noissa havainnoissa on omat ongelmansa, joten kiihtyvää laajenemista ei voi pitää täysin todistettuna, mutta sen puolesta on kuitenkin huomattavaa todistusaineistoa.

Kolmanneksi pitäisi selvittää, mistä kiihtyvä laajeneminen oikein johtuu. Tässä oletetaan maailmankaikkeuden tasaisuuden lisäksi, että laajenemisnopeus liittyy maailmankaikkeuden ainesisältöön yleisen suhteellisuusteorian kertomalla tavalla. Sillä tapaa saadaan selville, että jos maailmankaikkeus sisältäisi vain tavallista ainetta, laajeneminen hidastuisi aina, koska aineen eri osat vetävät toisiaan puoleensa. Tästä päätellään, että maailmankaikkeus on täynnä jotain kummallista ainetta, joka toimii antigravitaation lähteenä, minkä takia kaikki etääntyy toisistaan kiihtyvällä nopeudella. Tälle aineelle on annettu nimi pimeä energia.

Johtopäätös pimeästä energiasta nojaa siis oletukseen siitä, että yleinen suhteellisuusteoria pätee ja rakenteiden vaikutus valon kulkuun ja maailmankaikkeuden laajenemiseen on vähäinen. Rakenteiden muodostumisen merkitystä ei kuitenkaan ole tarkkaan selvitetty. Ongelma on vaikea ja liittyy yleisen suhteellisuusteorian ja Newtonin gravitaatioteorian hienovaraiseen suhteeseen. Suuri osa kosmologiayhteisöstä kyllä odottaa, että rakenteiden vaikutus osoittautuu mitättömäksi, mutta luulo ei ole todistuksen väärti.

Nobel-komitean suhtautuminen pimeään energiaan on kahtalainen: toisaalta kiihtyvyyden syytä sanotaan tuntemattomaksi, toisaalta niin lehdistötiedotteessa kuin taustamateriaalissa mainitaan pimeä energia tosiseikkana. Tekstissä vieläpä todetaan, että pimeän energian yksinkertaisin mahdollisuus, tyhjän tilan energia sopii kaikkiin havaintoihin ja että mitkään muut vaihtoehdot eivät ole pystyneet selittämään havaintoja. (Tekstissä myös sanotaan, virheellisesti, että tyhjön energia vaikuttaisi vetyatomin spektriin.)

Väite siitä, että tyhjön energia sopisi kaikkiin havaintoihin on kirjaimellisesti otettuna liioiteltu: ainakin galaksien jakauma suuressa mittakaavassa vaikuttaa olevan ristiriidassa odotusten kanssa (kirjoitan tästä kenties joskus myöhemmin). Mutta noiden havaintojen merkitys on epäselvä, ja voidaan kyllä sanoa, että tyhjön energia on selittänyt havaintoja erittäin hyvin. Väite muiden vaihtoehtojen kelvottomuudesta on sen sijaan ongelmallisempi tilanteessa jossa kaikkia seikkoja ei ole vielä käyty läpi ja nykyistä vaihtoehtoa pidetään fysiikan suurimpana mysteerinä.

Kosmologiayhteisössä pimeän energia malleja ja yleisen suhteellisuusteorian muunnoksia on tutkittu kymmeniä tai satoja, eikä mikään niistä ole ollut oikein vakuuttava, mutta harva pitää asiaa loppuun käsiteltynä. Palkinnon saajista ainakin Schmidt on havaintojen tulkinnasta Nobel-komitean kantaa avoimempi, ja asian tutkiminen jatkuu. Olipa selitys mikä hyvänsä, supernovahavaintojen merkitys vanhojen käsitysten romuttamisessa on ollut merkittävä, ja Perlmutter, Schmidt ja Riess ovat tutkimusryhmineen palkintonsa ansainneet.

Päivitys (05/10/11): Kari Enqvist, Hannu Kurki-Suonio ja minä puhumme Nobel-palkinnon tiimoilta tilaisuudessa “Kiihtyvästi laajeneva maailmankaikkeus” perjantaina 7.10. kello 12. Paikkana on Helsingin Kumpula, tarkemmin sanottuna Physicum-rakennuksen sali D101. Tilaisuus on yleisölle avoin ja ilmainen.

Perjantaina uutisoitiin laajalti lehdistötiedotteesta, jonka mukaan OPERA-koe on havainnut
neutriinojen kulkevan valoa nopeammin. Monet toimittajat kutsuivat OPERAa CERNin kokeeksi, varmaan osittain siksi että lehdistötilaisuus pidettiin CERNin tiloissa ja lehdistötiedote tuli CERNiltä. CERN on kuitenkin vain yksi kokeeseen osallistuvista instituuteista, ja käsittääkseni italialaisen LNGS:n rooli on merkittävämpi, mutta “CERNin tutkijat” kuulostaa toki hohdokkaammalta kuin “LNGS:n tutkijat”.

Tehdyn kokeen perusteella ei voi päätellä paljoa ennen kuin havainto saa tukea tai kumotaan tarkemman syynin jälkeen. Olin etukäteen kuullut huhuja niin tuloksen julkistamisesta kuin siihen liittyvistä epäluuloistakin. Ajattelin etten mainitsisi tästä sen enempää kuin muistakaan mahdollisista löydöistä, jotka varmentuessaan mullistaisivat käsityksemme ja siksi luultavasti osoittautuvat virheellisiksi. En kuitenkaan osannut odottaa, että mielenkiinto leviäisi niin laajalle, Guardianista ja BBC:stä Metroon, Iltalehteen ja Ilta-Sanomiin asti. Kuten Petri Riikonen naapuriblogissa totesi, yleisön huomio on jo kääntynyt aiheeseen, joten ehkäpä on hyvä sanoa jotain.

Kokeessa ammutaan CERNistä kimppu neutriinoja maan läpi Italiaan, ja osa niistä havaitaan 730 kilometrin päässä Gran Sasson maanalaisessa luolassa olevassa laboratoriossa. Lähtö- ja alkupaikkojen välinen etäisyys tiedetään, joten mittaamalla matkaan kulunut aika saadaan selville, kuinka nopeasti neutriinot kulkivat. Mittauksen mukaan neutriinojen nopeus on noin kaksi sadastuhannesosaa valon nopeutta isompi.

Tunnetun fysiikan mukaan neutriinoilla on massa, joten niiden odottaisi matkaavan hieman valoa hitaammin. Massa on kuitenkin niin pieni, että OPERA-kokeessa ei pitäisi näkyä mitään eroa, vaan nopeuden pitäisi olla mittaustarkkuuden puitteissa sama kuin valon nopeus. Se, että neutriinot olisivatkin liikkeissään fotoneita sutjakampia olisi perin omituista.

Mieleen voi tulla sellaisia ajatuksia kuin että jos tulos pitää paikkansa, niin eikö valoa nopeammilla viesteillä voi lähettää tietoa ajassa taaksepäin, matkustaa tappamaan esi-isänsä ja tehdä muita omituisia juttuja? On kuitenkin syytä erottaa kaksi asiaa: valon nopeus ja korkein mahdollinen informaationopeus. Se, että tietoa ei voi singota ympäriinsä rajattoman nopeasti on suhteellisuusteorian keskeinen piirre. Sähkömagnetismin laeista sitten seuraa, että valo kulkee tällä korkeimmalla nopeudella. Mutta jos nämä lait olisivat toisenlaiset, valo voisikin matkata tätä suurinta nopeutta hitaammin. Tällöin joku hiukkanen –sanotaan vaikka neutriino– voisi lentää valoa nopeammin mutta silti suhteellisuusteorian nopeusrajoitusta noudattaen. Havainto neutriinoiden ja valon suhteellisesta nopeudesta ei siis välttämättä kerro mitään suhteellisuusteoriasta. Gravitaatioaallot matkaavat suhteellisuusteoriassa korkeimmalla mahdolliselle nopeudella. Niitä ei kuitenkaan ole koskaan suoraan mitattu, joten päätelmät tästä korkeimman nopeuden arvosta perustuvat valon mittauksiin. Gravitaatioaaltojen kulkunopeus ei voi olla kovin erilainen kuin valon, koska se vaikuttaisi epäsuorasti moniin asioihin, mutta OPERAn mittaama ero ei ole kummoisen kokoinen.

Voisiko havainto siis selittyä sillä, että neutriinot käyttäytyvät siten kuten odottaisikin, mutta valo sen sijaan kiukuttelee? Tällainen ilmeinen tulkinta on kuitenkin ristiriidassa muiden havaintojen kanssa. Vuonna 1987 mitattiin lähigalaksissamme räjähtäneestä supernovasta (jolla on kaunis nimi SN1987A) sekä valonvälähdys että neutriinosignaali. Hiukkaset olivat matkanneet 168 000 vuotta, joten OPERAn väittämällä nopeuserolla neutriinojen olisi pitänyt saapua neljä vuotta ennen kuin välähdys näkyi taivaalla. Näin ei kuitenkaan käynyt, vaan tulokset olivat sopusoinnussa odotusten kanssa kahden miljardisosan tarkkuudella. OPERAn neutriinojen energia on kyllä erilainen, joten on mahdollista kehitellä kaikenlaisia selityksiä jotka saattaisivat kokeet sopusointuun.

Tässä vaiheessa teoreetikkojen ei kuitenkaan vielä kannata suunnata kyniensä kärkiä neutriinojen ja fotoneiden kulkureiteille. Koska tulos on, ainakin yksinkertaisimman tulkinnan mukaan, ristiriidassa niin teoreettisten rakennelmien kuin aiempien koetulosten kanssa (teoreetikkona pidän jälkimmäistä vakavampana asiana), joku virhe kokeen tulkinnassa on luultavin selitys.

On myös hieman huolestuttavaa, että OPERAn nettiarkistoon laittaman julkaisun tekijälistasta on jättänyt moni kokeen jäsen nimensä pois. Toisen, kolmannen ja ties kuinka monen käden kautta on myös kaikunut huhuja ryhmän sisäisistä erimielisyyksistä tuloksen analysoinnissa ja julkistamisessa. Näin tärkeän tuloksen yhteydessä analyysin tulisi olla kiistaton, ennen kuin mitään voisi julistaa löydetyksi. On toki mahdollista, että tulos varmistuu, mutta tässä vaiheessa ei ole aihetta pohdintaan muilla kuin kokeellisen fysiikan asiantuntijoilla. Heidän tarkastelunsa lopulta kertoo, onko tehty löytö vai jätetty huomiotta systemaattinen virhe.

Fysiikan ulkopuolisten on siis tyystin ennanaikaista innostua tarinoimaan lehtien etusivuilla. OPERAn lehdistötiedote ei sisällä virheellisiä väitteitä ja siinä sanotaan selvästi, että tuloksia ei ole varmennettu. Mutta lehdistötilaisuuden pitäminen tässä vaiheessa on jo sinällään vastuutonta: mitä muuta voi toimittaja siitä päätellä kuin että on löydetty jotain kertomisen arvoista?

Kun suureen ääneen mainostetut löydöt myöhemmin katoavat jälkiä jättämättä, yleisölle jää sellainen vaikutelma, että tieteessä on kyse vain ihmeiden markkinoista, jotka ovat tyhjää täynnä. Tarinat valoa nopeammista signaaleista, aikakoneista ja rinnakkaisista maailmankaikkeuksista ovat karkkia, jonka jälkeen terve tarjonta ei kenties maistu enää. Fysiikan todelliset löydöt ovat suurenmoisia, eikä niitä ole tarvetta kuorruttaa makealla. Taivaalla näkemämme rakenne on luultavasti peräisin maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan satunnaisista värähtelyistä; avaruus on täynnä näkymätöntä ainetta, joka kulkee lävitsemme joka hetki; tiedämme tarkkaan, että maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien aikana luonnonlait olivat samat kuin nykyisin, muutamia esimerkkejä mainitakseni.

Fysiikassa on kaunista totuus, joka ilmenee siinä, miten asiat kietoutuvat toisiinsa, miten pienet seikat johtavat vääjäämättömästi suuriin seurauksiin matematiikan tinkimättömässä ohjauksessa. Irralliset uutiset poikkeamista jotka pian vajoavat unhoon ennemmin hämärtävät kuin kirkastavat sitä tapaa, jolla uudet löydöt kytkeyvät aiempaan ja syventävät nykyistä tuntemusta.

OPERAn mittausten saamassa julkisuudessa on kyllä jotain ilahduttavaakin. Valokeila antaa kelpo tilaisuuden kertoa, miten tiede toimii, esitellä suhteellisuusteorian ja muiden todeksi tunnettujen asioiden pätevyysalueita ja esitellä tunnetun maailman reunalla lymyäviä ihmeitä. Lisäksi tämä huomio osoittaa, että luonnontieteestä ollaan suuresti kiinnostuneita sen takia, mitä se kertoo maailmasta, eikä sen arvoa tarvitse perustella vain hyödystä väitellen. Kun yleinen suhteellisuusteoria katsottiin (kenties heppoisin perustein) todistetuksi vuonna 1919, The Times otsikoi etusivullaan “Vallankumous tieteessä - uusi maailmankaikkeuden teoria - newtonilaiset ajatukset kumottu”. Olen joskus kuvitellut, että nykypäivänä ei enää moista voisi tapahtua, mutta olen nähtävästi aliarvioinut ihmisten mielenkiinnon vallankumouksia kohtaan.

Päivitys 1 (27/09/11): OPERAn kokeesta kertoo tarkemmin Higgsin metsästäjä. Kiinnostuneiden kannattaa myös katsoa yleensä luotettavan Tomaso Dorigon analyysi ja usein hauskan Jesterin näkemys.

Päivitys 2 (28/09/11): Tämä Jon Butterworthin mainio kirjoitus The Guardianissa valaisee asiaa myös. (Lopussa on lyhyt viesti OPERA-kokeen seniorilta jäseneltä, joka ei laittanut nimeään paperiin, kuten ei neljä muutakaan senioria jäsentä.)

Tämän vuoden Nobel-palkintoa käsittelevän merkinnän kommenteissa kysyttiin niinkutsutusta Casimir-ilmiöstä, jota toisinaan esitetään todisteeksi tyhjön energian olemassaolosta. Asia on aiemmin tullut esille virtuaalisista hiukkasista kirjoittaessani, joten solmin nyt tuon langan pään.

Casimir-ilmiö on yksinkertainen: kun laitetaan kaksi sähköä johtavaa tasaista levyä lähekkäin, ne vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka näyttää riippuvan vain levyjen etäisyydestä, ei niiden muista ominaisuuksista. (Tässä oletetaan, että kummankin levyn sähkövaraus on nolla.)

Se, että Casimir-voima ei riipu levyjen yksityiskohdista johdattelee ajattelemaan, että se on levyjen välissä olevan tyhjän tilan ominaisuus. Voiman suuruuden voikin johtaa seuraavasti. Lasketaan ensin, mikä energia kaikkien virtuaalisten hiukkasten pulppuamiseen tyhjässä tilassa liittyy. Sitten katsotaan millaisia virtuaalisia hiukkasia levyjen väliin mahtuu, ja lasketaan niistä sinne aiheutuva energia. Nämä energiat ovat erilaisia ja tämä saa aikaan voiman, joka vetää levyjä yhteen. (Lasku ei itseasiassa kerro, mikä kumpikaan noista energioista on, mutta erotuksen se antaa kiltisti.) Asian voi tulkita siten, että levyjen väliin ei mahdu liian ison aallonpituuden omaavia hiukkasaaltoja, ja niiden puute vetää levyjä puoleensa.

Tämän tulkinnan takia Casimir-efekti usein esitetään todisteena tyhjön energian olemassaolosta, tunnettujenkin fyysikoiden taholta. Mutta Casimir-voiman voi ymmärtää paljon arkisemmin, puhumatta tyhjöstä mitään. Vaikka levyt ovat sähköisesti neutraaleja, niissä kuitenkin on positiivisia ja negatiivisia sähkövarauksia, joista osa pystyy liikkumaan ympäriinsä — muutenhan levyt eivät johtaisi sähköä. Koska sähkövaraukset eivät ole jakautuneet täysin tasaisesti, levyjen välille syntyy pieni voima, jonka voi laskea levyjen sähkövarausten välisiä vetovoimia tarkastelemalla. Se, että tulos ei riipu levyjen omnaisuuksista on vain suunnilleen totta: kun Casimir-efektiä mitataan tarkasti, pitää ottaa huomioon esimerkiksi se, että oikeat levyt eivät johda sähköä täydellisesti (eli käsitellä sähkövarausten todellista jakaumaa levyssä), vaikka ensi arviolta tästä ei tarvitsekaan välittää.

Casimir-ilmiön ymmärtäminen tällä tavoin on käsitteellisesti yksinkertaisempaa kuin tyhjön energian avulla, mutta yksityiskohtaiseen laskemiseen tyhjön energia tarjoaa nopeamman reitin. Tämän takia siihen liittyvä tulkinta lienee saanut niin suuren jalansijan. Tekipä laskun miten päin vain, Casimir-efekti vaatii sähkömagneettista voimaa käsiteltävän kvanttikenttäteorian keinoin: ilman kvanttimekaniikkaa ja suppeaa suhteellisuusteoriaa ei olisi Casimirin efektiä. Sen laskemisessa käsitellään virtuaalisia hiukkasia, pieniä värähtelyjä tyhjän tilan ympärillä.

Jos Casimirin efekti tulkitaan todisteeksi tyhjön energiasta, niin samaan sitten kelpaa mikä tahansa kvanttikenttäteorian ilmiö, jota käsitellään virtuaalisten hiukkasten avulla — eli siis melkein kaikki kvanttikenttäteorian laskut! Harva fyysikko hyväksyy moisen. Olikin hieman yllättävää, että Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia kirjoitti Nobel-palkinnon taustamateriaalissa että tyhjön energia on havaittu sen perusteella että vetyatomin energiatasoissa on kvanttikenttäteoreettisia korjauksia.

Tämä on harhaanjohtavaa siksi, että näissä kvanttikenttäteorian laskuissa on kyse värähtelyistä tyhjän päällä. Se tyhjön energia, joka saattaa selittää ne havainnot, joista Nobel-palkinto myönnettiin, on kuitenkin tuo pohjalla oleva tasainen jakauma, joka ei värähtele eikä tee mitään muutakaan. Kvanttikenttäteoriassa, aivan niin kuin klassisessa mekaniikassa, voi mitata vain energioiden erotuksia. Voidaan sanoa, että jos systeemin haluaa siirtää tästä tilasta tuohon, niin siihen tarvitsee lisätä noin paljon energiaa. Kysymys siitä, paljonko energiaa systeemillä on kaikkiaan, tulee esille vain yleisessä suhteellisuusteoriassa. Sen mukaan gravitaatio on tinkimätön kirjanpitäjä, joka mittaa kaiken energiasisällön: mitä enemmän energiaa, sitä voimakkaammin avaruus kaareutuu. Onkin eriskummallinen tilanne, että tyhjön energiatiheys tuntuu kvanttikenttäteorian luonnolliselta ennusteelta, mutta sen mittaamiseen tarvitaan jotain sen tuolta puolen. Tyhjön energian ymmärtäminen onkin yksi hiukkasfysiikan suurimpia ongelmia, ja sen nouseminen myös kosmologian keskeiseksi aiheeksi ei ole varsinaisesti vähentänyt mielenkiintoa.

Mainittakoon, että puhun maanantaina 31.10. kello 18 Arkadia-kirjakaupassa tämän vuoden Nobel-palkintoon liittyvästä fysiikasta, muun muassa tyhjön energiasta otsikolla “Dark energy: the greatest mystery of the universe” alla. Esitys on englanninkielinen.

Kvanttisirkuksesta kirjoittaessani mainitsin kvanttimekaniikan epädeterminismistä ja epämääräisyydestä.

Determinismi tarkoittaa sitä, että kaikki on periaatteessa ennustettavissa. Klassisessa fysiikassa systeemin kehitys määräytyy sen alkutilasta ja siihen vaikuttavista voimista. Jos tuntee systeemin tilan jonain hetkenä täydellisesti, niin voi ennustaa sen käytöksen äärettömään tulevaisuuteen ja tietää millainen se on ollut kaikkialla menneisyydessä. Malliesimerkki tästä on aurinkokunta, jonka ratoja voi klassisen mekaniikan lakien avulla pikakelata tulevaisuuteen ja menneisyyteen niin pitkälle kuin jaksaa laskea. Klassisen fysiikan maailma on kellokoneisto vailla vaihtoehtoja. Jo maailmankaikkeuden alussa on määrätty miten kaikki tulee tapahtumaan, ja tämän voi saada tietoonsa kunhan vain mittaa maailman tarkasti. (Nykyään tuntuu muuten hieman hassulta käyttää karkeaa, analogista konetta kuten kelloa tarkkuuden symbolina.)

Kvanttimekaniikan mukaan näin ei ole. Maailman käyttäytymistä ei voi ennustaa. Alkutilasta voi laskea vain eri tulevaisuuksien todennäköisyydet, ei yhtä totuutta. Yleensä todennäköisyyksistä puhuttaessa ajatellaan niiden ilmaisevan tiedon puutetta. Kvanttimekaniikassa tällaista tietoa ei ole olemassakaan, vaan tapahtumat ovat aidosti sattumanvaraisia: mikään sääntö ei kerro, mikä tulevaisuus valikoituu. Kolikon kääntöpuoli on, että menneisyyttä ei voi päätellä nykyhetkestä, koska tänne on päädytty laittomien oikkujen seurauksena, ei huolellisesti polkua seuraten. Kvanttimekaniikan aikakäsitys onkin erilainen kuin klassisen mekaniikan, koska sattumanvaraisuus kulkee vain yhteen suuntaan: menneisyys on määrätty mutta yksityiskohdiltaan tuntematon. (Ajan rooli fysiikassa on kiinnostava aihe, josta kirjoitan kenties toiste enemmän.)

Sen lisäksi, että tulevaisuus ei ole määrätty, myös nykytila on yleensä epämääräinen. Hiukkasista puhuttaessa sanotaan joskus, että ne kulkevat kahta reittiä samaan aikaan, Schrödingerin kissasta taasen että se voi olla sekä elävä että kuollut. Tätä kummalliselta tuntuvaa tilannetta kenties selventää jos sanoo, että kissan tila ei ole määrätty: ennemmin kuin puoliksi kuollut ja puoliksi elossa, kissa ei ole kumpaakaan. On vain tietty todennäköisyys, että kun asia tarkistetaan, se on joko elossa tai kuollut. Hiukkaskokeissa tällaista omituista käytöstä on mitattu jo pitkään, kissojen kohdalla sitä ei ole koskaan nähty. Kvanttimekaniikka ei kerro, miten sen kuvaamasta epämääräisestä todellisuudesta päästään arkikokemukseemme, jossa niin kissoilla kuin muillakin isoilla hiukkaskimpuilla näyttää olevan määrätty tila.

Kvanttimekaniikan löytäneet fyysikot kehittivät asiasta 30-luvulla fysiikan keskuksena toimineen Kööpenhaminan mukaan nimetyn tulkinnan. Kööpenhaminan tulkinta on lyhykäisyydessään seuraava: kvanttimekaaniset tilat ovat epämääräisiä, kunnes niitä havaitaan. Kun tehdään koe ja mitataan, yksi mahdollisista vaihtoehdoista valikoituu sattumanvaraisesti. Tämä yksinkertaiselta kuulostava resepti toimii käytännössä, joten kvanttimekaniikkaa käyttävät fyysikot eivät yleensä mieti asiaa sen enempää kuin automekaanikot vaivaavat mieltään kysymyksillä siitä, miksi ruuvimeisselit loppujen lopuksi toimivat.

Tilan epämääräisyyden täsmällisesti osoittavista Bellin epäyhtälöistä vastuussa ollut fyysikko John Bell kuulemma sanoi eräässä puheessaan, että useimmat fyysikot ajattelevat, että nämä kummallisuudet kyllä ratkeavat, kunhan istuu alas ja miettii vartin, mutta kun asiaa rupeaa oikeasti tutkimaan, huomaa ettei se olekaan niin helppoa.

Esimerkiksi Kööpenhaminan tulkinta herättää joukon kiusallisia kysymyksiä. Kuka kelpaa havaitsijaksi? Jos fyysikon sulkee laatikkoon, eikö hän voi havaita itseään? Miksei sitten kissakin? (Opiskellessani yliopistolla luennoitsija Raimo Keskinen sanoi, että havaitsijalla pitää olla vähintään teoreettisen fysiikan lyhyt oppimäärä, mikä sulkisi pois useimmat kissat, mutta arvelen, että selitys ei kestä kriittistä tarkastelua.) Viimeistään kosmologiaa ajatellessa tulee outo olo. Ei ole ketään maailmankaikkeuden ulkopuolista havaitsijaa, joten miten kaikkeuden tila määräytyy? Vaikka sisällä oleva havaitsija kelpaisi, niin mitä pitäisi ajatella maailmankaikkeudesta ajalta ennen ihmisten (tai dinosaurusten tai muiden havaitsijoiden, keitä he sitten ovatkaan) syntyä?

Jotain edistystä näiden asioiden ymmärtämisessä on tapahtunut sitten 1930-luvun. On hahmotettu, että ilmiö nimeltä dekoherenssi selittää se, miksei koskaan havaita kissojen olevan epämääräisessä tilassa, vaikka hiukkasten kohdalla moinen voidaan todentaa. Kyse on siitä, että kun systeemin osaset vuorovaikuttavat keskenään, ne kytkeytyvät yhteen siten, että niiden tila on määrätty tai määräämätön yhtä aikaa. Esimerkiksi jos sulkee kissan laatikkoon, niin se vuorovaikuttaa ympäristönsä kanssa hengittämällä, liikkumalla tai, jos huonosti käy, jopa naukumalla.

Dekoherenssi on hyvin voimakas ilmiö, pienikin kosketus riittää yhdistämään systeemin ja havaitsijan. On käytännössä mahdotonta eristää kissaa niin voimakkaasti, ettei siitä tulisi jotain tietoa. Alkeishiukkasten, tai niiden pienten kokoelmien, kohdalla näin kuitenkin voidaan tehdä. Laboratoriossa voidaan lähettää yksi eristetty fotoni, niin että se kulkee koskematta mihinkään ja ottamatta mihinkään kantaa. Koska fotoni ei kytkeydy yhteen laboratorion kanssa, sen tila voi mennä kovin epämääräiseksi.

Dekoherenssi selittää, miksei arkiskaalan kappaleiden kohdalla nähdä kvanttimekaniikan jännittäviä ilmiöitä. Mutta se tarjoaa vain puoli ratkaisua. Dekoherenssi kertoo, että havaitsija ja kissa ovat erottamattomia, niin että jos fyysikon tila on määrätty, niin sitten on kissankin. Mutta se ei sano mitään siitä, miksi tällä parilla sitten on määrätty tila. Mukaan voidaan ottaa kaikki havaitsijat, kissat ja kaikki mitä olemassa onkaan, jolloin palataan kysymykseen siitä miksi maailmankaikkeus näyttää määrätyltä. Ongelma tulee vastaan sellaisten fyysikoiden mittapuilla konkreettisten asioiden kuin kosmisen mikroaaltotaustan ja galaksien jakauman yhteydessä. Niiden epätasaisuuksien arvellaan periytyvän muinaisten aikojen satunnaisista värähtelyistä. Mikä ne on saattanut määrättyyn tilaan maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana?

Fysiikkaa mystifioidaan usein turhan päiten, mutta kvanttimekaniikan ytimessä on syvä mysteeri, jonka äärellä kaikkien ymmärrys on toistaiseksi osoittautunut vajavaiseksi.

Viime viikon Einstein-tilaisuutta mainostettiin vetoamalla Einsteinin työn merkitykseen nykyteknologialle, kuten CD:eille, TV:eille ja GPS:lle. Kvanttimekaniikan vaikutusta nykyteknologiaan ja sitä kautta yhteiskuntaan on vaikea yliarvioida (yleisen suhteellisuusteorian käytännön sovellukset rajoittuvat tuohon GPS:ään), mutta mainoksessa oli silti jotain oireellista.

Kvanttimekaniikan käyttökelpoisuus digikameroiden rakentamisessa todistaa sen oikeellisuudesta, mutta sovellusten pohjalla olevalla ymmärryksellä on itsessään suuri merkitys. Moderni fysiikka muutti viime vuosisadalla käsitykset ajasta, paikasta, tapahtumisesta ja koko maailmankaikkeuden luonteesta perinpohjaisesti. Mullistus oli yhtä suuri kuin kuvan maailmasta valistuminen muinaisaikojen jumalaisesta areenasta klassisen fysiikan kellokoneistonäyttämöksi. On hieman surullista, että syvällisiä totuuksia pidetään tärkeinä lähinnä niiden hyötyarvon takia.

Fysiikassa totuus on kietoutunut ainutlaatuisesti kauneuteen tavalla, jonka kuvaileminen matematiikkaa avaamatta on kuin maiseman selittämistä ilman näköaistia. Mutta taiteen keinoin voi välittää ainakin jotain säännöllisyyden ja kauneuden yhteydestä (ja tieteen luovalla työllä on jotain yhteistä taiteen kanssa). Olikin mielenkiintoista nähdä lauantaina Quantum Circus, jonka tavoitteena oli valottaa kvanttimekaniikan perusteita sirkuksen keinoin. Projekti tehtiin Turun Ammattikorkeakoulun taideakatemian ja Turun yliopiston fysiikan laitoksen yhteistyönä, ja teoksen suunnitteluun osallistumisen lisäksi fyysikot myös esiintyivät lavalla.

Esitys näytti kauniilta; pimeyttä ja valoa oli käytetty taiten ja akrobatia oli saumatonta. Sirkus tuntuu yleensä rakentuvan erillisten vakiintuneiden palasten (kuten nuorallakävely, pallottelu ja pelleily) yhdistelmänä, jossa kertominen ei ole keskiössä. Niinpä uuden sirkuksen tarinat tuntuvat usein sisällöntuotannolta, missä valmiille numeroille on haettu oikeutusta sen sijaan että lähdettäisiin siitä mitä halutaan kertoa. Tämä näkyi Quantum Circuksessakin: esimerkiksi tulijönglööraus oli näyttävän näköistä, mutta sen yhteys tarinan kulkuun tai kvanttimekaniikkaan jäi hämäräksi.

Vahvimmillaan Quantum Circus välitti onnistuneesti kvanttimekaniikan estetiikkaa sirkustoiminnan keinoin. Esiintyjien kolikkomaisessa pyörimisessä vanteilla ja atomiakrobatiassa molemmissa yhdistyivät muoto ja sisältö. Mutta esityksessä yritettiin kertoa kvanttimekaniikan laeista muutenkin kuin estetiikan kannalta.

Kuvauksessa oli voimakkaasti läsnä epädeterminismin lisäksi kvanttimekaniikalle keskeinen epämääräisyys: mahdollisuuksia täynnä olevan avaamaton laatikko aloitti ja lopetti esityksen. Mutta muutoin esityksen käsitys kvanttimekaniikasta oli hieman vanhanaikainen. On esimerkiksi nyky-ymmärryksen valossa kyseenalaista sanoa, että asioista tulee määrättyjä kun niitä havaitaan. Arkisten kappaleiden kohdalla kyse on osittain asioiden toisiinsa kytkeytymisestä, osittain ei yksinkertaisesti tiedetä miksi näyttää siltä kuin maailmalla olisi yksi määrätty totuus. Eräs esityksen teemoista oli mysteeri, mutta fysiikan ihmeellisin arvoitus käsiteltiin kuin vastaus olisi tiedossa. (Saatan palata tähän kvanttimekaniikan epämääräisyyteen myöhemmin.)

Teoksessa esiteltiin paljon kvanttimekaniikan niinkutsuttua monimaailmatulkintaa. Tämän ajatuksen mukaan kaikki mahdolliset vaihtoehdot toteutuvat, mutta eri maailmoissa: lavasteina toimineet ovet sopivat ideaan mainiosti. (Esityksessä oli käytetty maailman sijaan sanaa “ulottuvuus”; asialla ei kuitenkaan ole mitään tekemistä ulottuvuuksien kanssa.) Tämän tulkinnan merkitys fysiikassa ei ole kovin suuri, mutta se voi silti olla taiteellisesti houkutteleva. Esityksessä oli kaksi versiota joistakin hahmoista, joiden todellisuus haarautui. Toteutus oli visuaalisesti hyvä, mutta olisi toivonut, että tapahtumat eivät olisi jääneet irrallisiksi, vaan olisivat kuljettaneet tarinaa. Esityksessä oli myös viitteitä murhamysteeriin, minkä epämääräisten mahdollisuuksien estetiikka sopiikin hyvin yhteen kvanttimekaniikan kanssa, sääli vain että nekään kohtaukset eivät lomittuneet yhteen.

Kvanttimekaniikan esittämisessä oli tarpeetonta mystifiointia, jollaista usein kohtaa fysiikkaa ulkopuolelta katsovilta, mutta ei odottaisi fyysikoilta itseltään. Yhtälöt ja tieteen termit olivat ihmettelyn kohteena sen sijaan, että olisi avattu tai ihasteltu niiden kuvaamaa aihetta. Jos tehtäisiin sirkusesitys suomen kielen rakenteesta, kannattaisiko antaa ymmärtää, että aihe on vaikea siksi että kielitieteilijöillä on oma sanastonsa tai varata aikaa pellehahmolle päivitellä suomen hankaluutta? Välillä asioita selitettiin näyttämällä välillä videoita kvanttitutkijan haastattelusta, ikään kuin usko sirkuksen kykyyn ilmaista asioita ei olisi riittänyt.

Kaikkiaan kuitenkin Quantum Circus näytti esimerkillään kuinka fysiikan estetiikka sopii sirkuksen kaltaiseen heikosti narratiiviseen taiteeseen siinä missä runouskin; olisi mielenkiintoista nähdä lisää fyysikoiden kanssa yhteistyössä tehtyä sirkusta, tanssia tai performanssia.

Albert Einstein oli eräs merkittävimpiä fyysikoita kautta aikojen sekä poliittinen toisinajattelija, joka oli niin natsien kuin näiden kanssa yhteistyössä toimineen FBI:n listoilla. (Olen aiemmin kirjoittanut Einsteinin merkityksestä nykypäivän fyysikoille.) Einstein oli myös ensimmäinen tieteen ansiosta tiedotusvälineiden julkisuuden sankariksi aateloima henkilö.

Vuodesta 1919 alkaen, jolloin yleinen suhteellisuusteoria katsottiin teoreettisesti vahvistetuksi, Einstein ja hänen teoriansa olivat yleisen villityksen kohteena. On kenties mielenkiintoista, että tämä vuosi jokseenkin myös lopettaa kauden, jolloin Einstein teki tieteellisesti merkittävää työtä (harvoja poikkeuksia lukuunottamatta).

Einsteinin ympärille rakennetussa myytissä on epäterveitä piirteitä: Einsteinin aivot leikattiin talteen hänen neroutensa salaisuuden selvittämiseksi ja hänen paperiensa arkistossa on 80 000 dokumenttia päiväkirjoista muistilappuihin, joita käydään läpi vielä kymmeniä vuosia. Jo Einsteinin elinaikana hänen nimestään tuli nerouden synonyymi siinä määrin, että hänen kerrotaan sanoneen “en ole mikään einstein”.

Mutta legendan alla oleva todellisuuskin on inspiroivaa. Einstein tunnetaan aiheellisesti suhteellisuusteorian kehittäjänä -tai oikeammin löytäjänä- mutta hänellä oli keskeinen rooli myös toisen perustavanlaatuisen teoriamme kehityksessä: Einstein oli ensimmäinen, joka tavoitti kvanttimekaniikan ydinajatuksen todellisuuden epäjatkuvasta luonteesta. Toisaalta Einstein käytti suurimman osan tieteellisestä urastaan hedelmättömien umpikujien tarpomiseen ja vastusti kvanttiteorian kehitystä kuten auktoriteetit olivat aikanaan tehneet hänen suhteellisuusteorialleen.

Poliittisesti Einstein oli pasifisti joka kannatti sotaa kotimaataan vastaan, humanisti joka kehotti rakentamaan ydinpommin, antaumuksellinen siionisti joka oli sokea liikkeen todellisuudelle. Einstein oli kosmopoliitti aikana jolloin maailma repi itsensä sodissa ja ylpeästi juutalainen sosialisti 1920-luvun Saksassa ja 1950-luvun Yhdysvalloissa.

Minä ja Jukka Maalampi puhumme Einsteinista henkilönä sekä kvanttimekaniikasta, suhteellisuusteoriasta ja politiikasta Jyväskylän yliopistolla ensi tiistaina 16.8. kello 17. Tapahtuma on ilmainen ja sinne on vapaa pääsy. Puheet ovat englanniksi.

LHC jatkaa paahtamista: helmikuusta kesäkuuhun kokeet ovat keränneet 30 kertaa enemmän dataa kuin koko viime vuonna. Tämä tarkoittaa, että kaikki yli puolen vuoden takaisiin tuloksiin perustuvat tarkastelut ovat nyt auttamattomasti vanhentuneita. Analyysien tekeminen kiiruhtaa eteenpäin lomalaisia säälimättä: tulokset uudesta datasta julkistettiin viime viikolla, vain kuukausi sen jälkeen kun ne oli kerätty. Tämän kuukauden aikana datan merkitys erilaisille malleille analysoitiin ja tulokset kirjoitettiin, arvioitiin ja hyväksyttiin tuhatpäisten tutkimusryhmien sisällä ja julkiset esitykset valmistettiin.

Vuosien odottelun ja hitaan alun jälkeen tahti kiihtyy jatkuvasti. Vuoden toiselta puoliskolta odotetaan 2-4-kertaista datan määrää, eli koko vuoden saalis lienee satakertainen viime vuoteen verrattuna. Hitaasti mutta vakaasti monta vuotta Fermilabissa Yhdysvalloissa toiminut Tevatron-kiihdytin ei pysy enää perässä: se on auttamatta poissa Higgs-kisasta.

Kaiken tämän uuden tiedon voi tiivistää seuraavasti: LHC ei ole löytänyt mitään. Supersymmetria on entistä ahtaammalla (tekniväristä en tiedä) eikä mainostilaa saaneista kummajaisista kuten ylimääräisistä ulottuvuuksista ja mustista aukoista (odotetusti) näy jälkeäkään. On kuitenkin vain ajan kysymys koska löytyy Higgs tai jotain muuta.

Hiukkasfysiikan Standardimallin Higgs-hiukkasesta tiedetään kaikki muu paitsi massa. Jos Higgsin hiukkasen massa on pieni, se on helppo tuottaa hiukkastörmäyksissä, joten se olisi jo nähty aiemmissa kiihdyttimissä, joiden puhti ei ollut LHC:n luokkaa. Jos Higgsin hiukkasen massa on suuri, se on helppo löytää LHC:n törmäyksissä syntyvän roinan seasta. Nyt molemmat ääripäät on suljettu pois ja Higgs on ajettu nurkkaan. Jos Higgsin hiukkanen on olemassa, se majailee tuolla kokeellisesti kaikkein vaikeakulkuisimmalla seudulla. LHC kaventaa tuntematonta aluetta päivä päivältä ja jos Higgs on olemassa, on toivoa (joskaan ei varmuutta), että se jää kiinni vuonna 2011. Jos Standardimallin Higgsiä ei ole olemassa, siitä ainakin pitäisi saada tieto vuoden loppuun mennessä. Avainsana on “Standardimallin”: esimerkiksi yksinkertaisimmissa supersymmetrisissä malleissa Higgsin hiukkasia on viisi kappaletta joista jokaisella on omat erityispiirteensä, joiden avulla ne saattavat piiloutua hieman kauemmin. Mutta Higgsin vaniljaversion pitkä pakomatka päättyy pian.

Gravitaatioaaltojen yhteydessä tuli esille kysymys siitä, onko kokeellisesti varmennettu, millä nopeudella gravitaatiovuorovaikutus välittyy.

Newtonin klassisessa gravitaatioteoriassa massojen aiheuttama gravitaatiokenttä muuttuu heti kaikkialla kun kappaleiden paikat muuttuvat. Kun Maa matkaa radallaan eteenpäin, tieto tästä siirtyy avaruuden kaukaisimpiinkin kolkkiin saman tien. Yleisessä suhteellisuusteoriassa informaatio sen sijaan kulkee korkeintaan valonnopeudella.

Näin siis teorian puolella. Kysymys siitä, onko asia kokeellisesti varmennettu ei ole aivan yksinkertainen. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatiossa on kyse aika-avaruuden kaarevuudesta. Kaarevuus voi ilmetä eri tavoin: yksi sen piirre johtaa kappaleiden väliseen näennäiseen vetovoimaan ja toinen on vastuussa gravitaatioaalloista. (Edellisessä merkinnässä laitoin hieman mutkia suoriksi samaistaessani nämä kaksi asiaa.) Jos Aurinko pysyisi täysin muuttumattomana paikallaan (niinkuin se melkein tekeekin), se ei lähettäisi gravitaatioaaltoja, mutta pitäisi kyllä planeetat radoillaan.

Kaarevuuden kummatkin puolet seuraavat yleisen suhteellisuusteorian peruslähtökohdista: erityisesti molemmissa tapauksissa muutosten etenemisnopeus on valonnopeus. Valonnopeuden rooli yleisessä suhteellisuusteoriassa on keskeinen: se kytkee ajan ja avaruuden erottamattomaksi kokonaisuudeksi, esiintyy teorian jokaisessa yksityiskohdassa ja muovaa kaikkia sen ilmiöitä. Niinpä voidaan sanoa, että jokainen yleisen suhteellisuusteorian lukuisista kokeista testaa valonnopeuden merkitystä ja vahvistaa käsitystä gravitaation kulkunopeudesta. Esimerkiksi yleisen suhteellisuusteorian huomioon ottaminen on välttämätöntä GPS-järjestelmän toimivuudelle: jos yhtälöissä esiintyisi valonnopeuden sijaan joku muu suure, paikanmääritykset eivät vastaisi todellisuutta.

GPS ei liity suoranaisesti gravitaation kulkunopeuteen, mutta yleinen suhteellisuusteoria on yksi kokonaisuus, jonka osat ovat erottamattomia. Ei ole mitään nuppia, josta voisi vaihtaa gravitaation vaikutusnopeutta. Jos haluaa gravitaatioaaltojen matkaavan valoa hitaammin, pitää esittää joku kokonaan uusi teoria, laskea siitä kaikki ennusteet alusta alkaen ja katsoa vastaavatko ne havaintoja. (Yleensäkin teorioita on vaikea osoittaa vääriksi ellei ole jotain mihin verrata, kuten Pioneer-anomalia valaisee.)

Yleisen suhteellisuusteorian laajentaminen tällä tapaa ei ole aivan yksinkertaista, eikä sille ole oikein motivaatiotakaan. Moiset seikat eivät teoreetikkoja estä, joten vuosien varrella on kasailtu erinäisiä malleja joissa gravitaatiovuorovaikutus kulkee valoa hitaammin tai nopeammin. Mitkään kokeet ole tukeneet näitä vaihtoehtoja suhteellisuusteorian sijaan. Tämän voi katsoa tukevan yleistä suhteellisuusteoriaa ja vahvistavan käsitystä gravitaation nopeudesta, mutta mitään lopullista vastausta se ei tarjoa.

Vaikka olisi kivenkovan skeptinen, on vaikea välttää myöntämästä, että näennäisen vetovoiman muutokset etenevät valonnopeudella, koska vetovoimasta on niin monta tarkkaa koetta, kuten GPS, Merkuriuksen radan kiertyminen, kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ja niin edelleen. Gravitaatioaalloista on vain yksi epäsuora havainto, joten niiden etenemisnopeuden voi vielä kyseenalaistaa — jos on valmis näkemään paljon vaivaa vaihtoehtojen rakentamiseen.

Gravitaatioaallot valaisevat Newtonin 1600-luvulta periytyvän klassisen gravitaatioteorian ja yleisen suhteellisuusteorian eroja ja havainnollistavat avaruuden kaarevuutta.

Newtonin teoriassa massat kohdistavat toisiinsa voiman, joka saattaa ne kiihtyvään liikkeeseen. Jos kappaleisiin ei kohdistu gravitaatiota (tai muita voimia), ne liikkuvat tasaisesti suoraan eteenpäin. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatiossa on kyse aika-avaruuden kaarevuudesta. Kappaleet kulkevat rauhallisen suoraviivaisesti vaikka gravitaatio olisi kuinka voimakas, mutta sen sijaan aika-avaruus, johon viiva on piirretty, on kaartunut. Asiaa voi havainnollistaa ajattelemalla, että liikutaan pitkin ruutupaperin viivoja, mutta paperia voi venyttää ja vääntää. Yleisesti ottaen kaareva pinta voi olla hyvin monimutkainen, mutta silloin kun gravitaatio on heikko, vihossa on vain pieniä ryppyjä ja kappaleiden radat ovat melkein samoja kuin ilman gravitaatiota. Tällöin voi olla mielekästä ajatella aika-avaruus tasaiseksi ja sanoa, että gravitaatio sen sijaan kaareuttaa ratoja.

Esimerkiksi Auringon gravitaatiokenttä on varsin heikko, joten Maapallon rata poikkeaa vain vähän siitä mitä se olisi tyhjässä avaruudessa. Voi tuntua kummalta sanoa, että Maa matkaisi melkein samalla tavalla kuin ilman Aurinkoa, onhan ympyrärata kovin erilainen kuin suora viiva! Pitää kuitenkin ajatella reittiä aika-avaruudessa, ei avaruudessa: Maapallo ei vain kierrä ympyrärataa, se myös kulkee eteenpäin ajassa. Maan rata on ylöspäin nouseva kierre: siinä vaiheessa kun Maa on palannut samaan avaruuden pisteeseen, se on liikkunut vuoden ylöspäin aikaa. Maapallon etäisyys Auringosta on kahdeksan valominuuttia, vuodessa minuutteja taasen on puoli miljoonaa. Jos Maan radan säde olisi 80 cm, yhden kierroksen korkeus olisi 50 kilometriä: viiva on lähes suora.

Aika-avaruuden kaarevuudessa ei ole kyse vain erilaisesta tulkinnasta, vaan se antaa Newtonin teorian painovoimasta poikkeavia ennusteita. Muutokset Aurinkokunnassa ovat pieniä mutta mitattavia, mustien aukkojen törmäysten kohdalla valtavia (mutta kovin kaukana meistä). Gravitaation kuvaus aika-avaruuden kaarevuutena ennustaa myös kokonaan uusia ilmiöitä, kuten gravitaatioaallot.

Newtonin teoriassa gravitaatiokenttä kertoo, miten massat vetävät toisiaan puoleensa ja kun massat liikkuvat, kenttä muuttuu kaikkialla viipeettä vastaamaan uutta tilannetta. Kun kurkotan käsilläni kohti Kuuta ja lasken ne takaisin, niin Newtonin teoriassa Kuu tulee heti hiukan lähemmäs ja palaa sitten paikalleen.

Yleisessä suhteellisuusteoriassa on toisin. Ensinnäkin tieto muutoksesta kulkee valonnopeudella, joten muutos Kuussa tapahtuu vasta sekunnin päästä vilkutuksestani. Toisekseen aaltojen vaikutus on pelkkää vetovoimaa monimutkaisempi. Avaruuden kaarevuuden muutoksen voi ymmärtää mitattujen etäisyyksien muuttumisena. Kulkiessaan ohi gravitaatioaalto tiivistää etäisyyksiä yhdessä suunnassa ja venyttää niitä toiseen suuntaan, molemmat kohtisuoraan kulkusuuntaa vastaan. Ilmiön kunnollinen ymmärtäminen edellyttäisi tarkempaa selitystä suhteellisuusteoriasta: klassisen fysiikan pohjalta odottaisi ehkä pituuksien muuttuvan menosuuntaan.

Gravitaatioaaltojen havaitseminen perustuu siihen, että ne muuttavat eri suuntien etäisyyksiä eri tavoin. Vuonna 2014 aloittava Advanced LIGO mittaa tätä efektiä samalla idealla kuin edeltäjänsä LIGO ja Virgo. Rakennetaan kaksi yhtä pitkää tyhjää käytävää joiden päässä on peili. Ammutaan molemmissa käytävissä valonsäde peiliin ja verrataan matka-aikoja. Jos avaruus on tasainen –tai kaartunut samalla tavalla molemmissa käytävissä– niin matka-aika on sama. Jos avaruus on kaartunut eri tavalla eri suunnissa, niin matka-ajat ovet erilaiset.

Tämän yksinkertaisen periaatteen toteuttaminen on hyvin vaikeaa, koska gravitaatioaallot ovat kovin heikkoja. Kahden keskikokoisen mustan aukon törmäys odotetulla etäisyydellä meistä muuttaa etäisyyksiä Maapallolla tekijällä 10^(-21). LIGOn peilien etäisyys on 4 kilometriä, eli käytävän pituus muuttuu noin 10^(-18) m. Tämä etäisyys on sata miljoonaa kertaa pienempi kuin niiden atomien koko, joista peilit on rakennettu ja tuhat kertaa pienempi kuin protonin koko. Niin uskomattomalta kuin se tuntuukin, näin pieniä muutoksia matka-ajassa pystytään mittaamaan. On tietysti vaikka kuinka paljon häiriöitä jotka ovat huomattavasti isompia, joten on tärkeää, että signaalien tarkka taajuus ja muoto tiedetään tietokonesimulaatioista, jotta ne voidaan eristää kohinasta.

Kun signaali on heikko ja häiriöitä paljon, on hyvä olla riippumaton varmennus. Gravitaatioaaltokokeissa pyritäänkin siihen, että on useampi kuin yksi detektori eri puolilla Maapalloa. Jos molempien ryhmien data-analyysi antaa tulokseksi samaan suuntaan menevän samanlaisen aallon oikealla viipeellä (gravitaatioaallolla kestää 0.04 sekuntia kulkea Maan läpi), voidaan olla varmoja siitä, että kyseessä on todellinen havainto, eikä paikallisista häiriöistä johtuva virhetulkinta.

Kokeiden herkkyyttä rajoittaa Maassa muiden häiriöiden lisäksi se, että pallomme kaarevuuden takia on vaikea rakentaa kovin pitkiä suoria käytäviä. Advanced LIGOsta seuraavan sukupolven laitteeksi on kaavailtu Laser Interferometer Space Antenna (LISA)-nimistä gravitaatio-observatoriota. LISA koostuisi kolmesta satelliitista Aurinkoa kiertävällä radalla, toisistaan viiden miljoonan kilometrin etäisyydellä. Satellitit pitäisivät tarkkaa lukua etäisyyksistään lähettämällä valoa toisilleen. LISAn tarkkuus olisi valtavan paljon maanpäällisia detektoreita suurempi ja se kuulisi gravitaatioaaltoja jokseenkin kaikkialta näkyvästä maailmankaikkeudesta. Tekninen toteutus olisi kuitenkin erittäin vaativa. NASA vetäytyi huhtikuussa hankkeesta budjettisyistä ja ESAssa mietitään nyt mitä tehtäisiin. Teknologiaa testaava LISA Pathfinder -satelliitti laukaistaan näillä näkymin 2013-2014 ja sen jälkeen nähdään miten LISAlle käy.

LISA on tulevaisuuden haave ja lähiajan odotus keskittyy Advanced LIGOon, mutta silläkin saattaa kestää joitakin vuosia ennen saaliin nappaamista. Hyvä puoli gravitaatioaalloissa on se, että niitä on lähes varmasti olemassa ja niillä on meille kiinnostavaa kerrottavaa. Harmillista on se, että ei tarkkaan tiedetä paljonko lähteitä ympäristössä on, eli kuinka herkällä korvalla pitää kuunnella, että aaltojen äänen kuulee metelin seasta.

Mainitsin mustista aukoista kirjoittaessani, että eräs tapa selvittää niiden olemassaolo on mitata törmäyksissä syntyviä gravitaatioaaltoja. Ollessani Oxfordissa käymässä siellä piti puheen eräs yleisen suhteellisuusteorian vanhoista mestareista, Kip Thorne. Tuota luentoa ei liene vielä verkossa, mutta tässä Zürichissä pidetyssä luennossa vaikuttaa olevan paljon samaa.

Eräs Thornen merkittäviä tutkimuskohteita on gravitaatioaallot, ja hänen mielestään elämme niiden toista kulta-aikaa juuri nyt, vuodesta 2010 alkaen. Ensimmäisenä kulta-aikana 1960-luvulla muotoiltiin ymmärrys siitä, mistä gravitaatioaalloista on kyse, nykyaika taas tarjoaa mahdollisuuden seurata niitä yksityiskohtaisesti yhtäältä simulaatioissa ja toisaalta havainnoissa.

Gravitaatioaalto on gravitaatiokentässä etenevä pieni häiriö. Esimerkiksi käteni massa vetää Kuuta puoleensa. (Tai oikeammin, käsi kaareuttaa avaruutta jossa Kuu kulkee.) Kun liikutan kättäni, tieto asennon muutoksesta kulkee valonnopeudella (yhteen kirjoitettuna) eteenpäin ja saavuttaa Kuun noin sekunnin kuluttua. Tämä aika-avaruudessa matkaava häiriö on gravitaatioaalto. Gravitaatio on niin heikko vuorovaikutus, että käden heilautuksesta syntyvän signaalin havaitseminen on toivotonta. Huomattavien aaltojen synnyttämiseen tarvitaan järkyttäviä tapahtumia, sellaisia kuin mustien aukkojen törmäykset.

Mustan aukon törmätessä jopa 10% massasta voi muuttua gravitaatioaalloiksi. Hyötysuhde on valtava: ydinreaktioissakin vapautuu tyypillisesti vain suunnilleen prosentin verran energiaa. Kun törmäävien kappaleiden massa vielä on Auringon luokkaa, aika-avaruuden vääntö on hirvittävä. Mustaan aukkoon melkein törmääminen voi esimerkiksi rikkoa neutronitähden paloiksi. Kun gravitaatioaalto leviää kauas synnyinsijoiltaan, se heikkenee eikä enää kykene suistamaan kappaleita radaltaan.

Törmäyksissä syntyvien gravitaatioaaltojen laskeminen on tapahtuman väkivaltaisuuden vuoksi vaikeaa. Muutaman viime vuoden aikana on kuitenkin tapahtunut murros yleisen suhteellisuusteorian laskujen tekemisessä tietokoneella ja nyt supertietokoneilla voidaan pyörittää mustien aukkojen törmäyksiä jokseenkin rutiinilla. Kip Thorne on mukana ryhmässä, joka tekee par’aikaa tuhatta simulaatiota erilaisista törmäyksistä sen luetteloimiseksi, minkälaisia signaaleja taivaalla pitäisi olla.

Edistys laskentamenetelmissä osuu onnelliseen aikaan, koska gravitaatioaaltoja etsivien kokeiden pitäisi piakkoin saada jotain haaviinsa. Toisiaan kiertävien pulsaritähtien ratojen tarkoista mittauksista on voitu päätellä, että ne menettävät energiaa gravitaatioaaltoihin (tästä myönnettiin Nobelin palkinto 1993), mutta aaltoja ei ole koskaan suoraan havaittu. Erilaisia detektoreita on rakennettu ja käytetty vuosien varrella, mutta ne eivät ole nähneet mitään — oletettavasti herkkyys ei ole riittänyt havainnon tekemiseen.

Tilanteen odotetaan muuttuvan pian. Vuonna 2014 aloittaa toimintansa detektori nimeltä Advanced LIGO. Kyseinen laite on paljon edeltäjiään tarkempi ja sen pitäisi nähdä mustien aukkojen välisiä törmäyksiä jotain väliltä kerran kahdessa vuodessa kolmeen törmäykseen päivässä. Epävarmuus havaintojen taajuudesta johtuu siitä, että ei oikein tiedetä kuinka paljon törmäilevia mustia aukkoja on.

Gravitaatioaaltojen olemassaolo on yleisen suhteellisuusteorian yksinkertainen ennuste. Niiden tarkka muoto kuitenkin riippuu teorian yksityiskohdista, joten törmäykset toimivat gravitaation laboratoriona. Aallot kantavat törmäyksestä kirkasta muistoa, joten jos mustia aukkoja todella on olemassa, niiden avulla voi vaientaa viimeisetkin epäilykset asiasta.

Kiehtovin asia gravitaatioaalloissa on se, että ne avaavat tyystin uuden ikkunan maailmankaikkeuteen. Melkein kaikki havaintomme kosmoksesta aurinkokuntamme ulkopuolella perustuvat valon katsomiseen. Kun tähtitieteessä on siirrytty uusille aallonpituusalueille, näkyvästä valosta infrapunaan, radioaaltoihin tai röntgensäteisiin, on aina löytynyt uusia ilmiöitä. Gravitaatioaallot vievät pidemmälle: ne ovat kokonaan uusi tapa havainnoida maailmankaikkeutta. Gravitaatioaallot eivät himmene pölyn läpi mennessään tai törmäile esteisiin, vaan kulkevat aineen läpi sitä edes huomaamatta ja säilyttävät alkuperäisen muotonsa. Ne voivat tehdä näkyväksi maailmankaikkeuden salaisuuksia, jotka ovat valon ulottumattomissa. Jo nyt tiedämme, että valtaosa kosmoksen aineesta on sellaista, jota ei valolla näe. Tämän hetkisen käsityksen mukaan tuo pimeä aine ei osallistu sellaisiin toimiin, joista syntyisi merkittävästi gravitaatioaaltoja. Mutta pimeän aineen luonteesta ei ole vielä varmuutta, ja ennakkokäsityksemme näkymättömästä maailmankaikkeudesta saattavat olla väärässä.