Tieteen päivien 2013 kirja on ilmestynyt. Tämän vuoden teema oli kriisi, ja siihen on kirjassa paljon mielenkiintoisia näkökulmia. Itse kirjoitin kosmologiassa kahden viime vuosikymmenen aikana tapahtuneesta murroksesta. Artikkelini "Kiihtymystä kosmologiassa" ensimmäinen kappale on seuraava:

"Vuoden 2011 Nobel-palkinto myönnettiin ”maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen löytämisestä kaukaisia supernovia havaitsemalla”. Palkitut supernovahavainnot oli julkistettu vuonna 1998, ja niiden osoittama kiihtyvä laajeneminen oli suurin yllätys kosmologiassa sitten 1920-luvun, jolloin huomattiin, että maailmankaikkeus ylipäänsä laajenee. Kiihtyvää laajenemista tukevat monet havainnot, ja ne pitävät yhtä yksinkertaisimpien teoreettisten mallien kanssa. Kiihtymisen syy on kuitenkin arvoitus: selityksiä on tarjottu tusinakaupalla, mutta mitään niistä ei pidetä täysin tyydyttävänä. Teoreettinen ymmärrys on nykykosmologiassa jäljessä havaintojen tarkkuudesta. Tämä on johtanut omintakeiseen kriisiin, jossa tutkijat ovat ajautuneet niin liioiteltuihin voitonjulistuksiin kuin epätoivon partaallekin, ja jopa tieteellisen päättelyn sääntöjä on ehdotettu muutettavaksi."

Päivitys (15/01/13): Mainittakoon, että uusimmassa Yliopisto-lehdessä on maailmanlopuista artikkeli, johon minuakin on haastateltu. Osaltani siinä on jotain samoja teemoja kuin Mikkelin Akatemian esityksessäni.

Kommentit (21)

Pentti S. Varis

Pimeän aineen mysteerin selvittämiseksi on yritetty kehittää useita teorioita tai sellaisten alkuja. Kiinnostaisi tietää, onko teorioita, joissa maailmamme lepää korkeampiulotteisen järjestelmän pinnalla muodostaen ikään kuin 4-ulotteisen pallonkuoren.

Myös avaruuttamme ympäröivä mutta ei vielä annihilaatioon johtavassa kontaktissa oleva antimateriameri voisi aiheuttaa kiihtyvän laajentumisen. Onkohan tätä formuloitu?

Tiedemies

Osaatko esittää villin arvauksen siitä, miten, sanotaan lähimmän 20 vuoden aikana tullaan etenemään kosmologian "perusparadigman" osalta? Tarkoitan sitä, että nythän taitaa olla jonkinlainen konsensus siitä, että on perusmalli jossa pieni osa maailmankaikkeudesta on normaalia näkyvää massaa, sitten on isohko osa pimeää ainetta ja valtaosa on pimeää energiaa.

Uskotko että tämä tapa selittää havainnot säilyy vielä seuraavat 20 vuotta? Ja jos tämä kuva esimerkiksi tarkentuu, uskotko että tarkentumiseen johtava teoreettinen sysäys tulee hiukkasfysiikan havainnoista, vai kenties uusista astronomisista havainnoista? Vai käsitelläänkö tätä kysymystä peräti ko. kirjassa?

Syksy Räsänen

Pentti S. Varis:

Korkeampiulotteisia malleja kiihtymisen selittämiseksi on tutkittu useita, pallokuorien kanssa niillä ei ole mitään tekemistä. Antimateria ei myöskään liity asiaan mitenkään.

Tiedemies:

Artikkeli käsittelee tilannetta lähinnä nykypäivään asti, ei niinkään pohdi sitä mitä saattaa löytyä. En pidä arvailemista mielekkäänä, mutta minusta on kiinnostavaa selvittää, voiko maailmankaikkeuden rakenteiden vaikutus selittää havainnot ilman pimeää energiaa. Ks. http://www.tiede.fi/blog/2008/03/16/kolmen-vaihtoehdon-mysteeri

Vanhoja populaareja juttuja aiheesta ovat http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=flaw-of-averages ja http://www.newscientist.com/article/dn11498-is-dark-energy-an-illusion.html .

Pentti S. Varis

Syksy, esität (2007) New Scientist -lehdessä, että avaruuden eri alueisiin kohdistuvat mittaukset voisivat antaa eri tuloksia laajenemisen kiihtyvyydelle:

If the density differences really do have an important influence on the universe's expansion, then future measurements of the expansion rate based on supernova surveys might show different rates of expansion in different directions, he says.

Onkohan näitä mittauksia tehty? Jos kiihtyvyys tietyissä alueissa riippuu tiheyseroista, voisiko joissakin alueissa kiihtyvyys olla peräti oletetulle laajenemisuunnalle vastakkaista?

Mitä tulee niihin "pallonkuoriin", avaruuden mahdollisen epäeuklidisuuden alkaessa 1800-luvulla kiinnostaa tutkijoita jotkut neropatit esittivät, että jos meidän maailmamme muodostaisi laajempiulotteisen systeemin "pallonkuoren" tai ylipäänsä kuoren, niin avaruuden geometria selittyisi luontevasti. Jos taas, niinkuin Kari Enqvist on esittänyt, meidän maailmamme on vain vaahtoa olutlasin pinnalla, vaahdon virtausnopeus vaihtelisi suuresti esimerkiksi tiheyden ja muidenkin tekijöiden funktiona - niinkuin kahvin pinnalla olevalle vaahdolle usein käykin.

Syksy Räsänen

Pentti S. Varis:

Tuo kommentti ei viittaa kiihtyvyyden mittaukseen, vaan laajenemisnopeuden (oikeastaan olisi syytä ennemmin puhua etäisyyden mittauksista, koska kyse on supernovista: niiden avulla ei mitata suoraan laajenemisnopeutta, vaan se päätellään etäisyysmittauksista). Laajenemisnopeutta on mitattu eri suunnissa, mutta tulokset ovat toistaiseksi varsin epätarkkoja. Olen tuon haastattelun tekemisen jälkeen tutkinut asiaa enemmän, ja todennut että ei ole syytä odottaa supernovamittauksissa havaittavan merkittäviä eroja kaukaisten kohteiden etäisyyksissä. (Asiaa pitäisi tosin tutkia vielä yksityiskohtaisemmin, jotta erojen suuruus saataisiin kunnolla selville.) Laajenemisnopeuden paikalliset vaihtelut ovat kyllä isoja, ja aiheuttavat paljon heittoa lähellä olevien kohteiden etäisyyksiin eri suunnissa, mutta tämä on hyvin tunnettu ilmiö.

Pekka

Mikäli on niin, että maailmankaikkeuden rakenteet aiheuttavat kiihtyvän laajenemisen niin onko mahdollista, että laajeneminen ei jatkukaan ikuisesti vaan alkaa hidastua ja pysähtyy jossain vaiheessa?

Joskus luin teoriasta, jonka mukaan kiihtyvä laajeneminen olisikin muistaakseni pimeän virtauksen aiheuttama illuusio. Tässähän on ymmärtääkseni kyse nimen omaan maailmankaikkeuden rakenteista? Havaittavan maailmankaikkeuden ulkopuolella on jokin rakenne, joka vetää muuta ainetta puoleensa. Miten mahdollisena pidät jotain tämän tyyppistä ratkaisua?

Syksy Räsänen

Pekka:

Mikäli kiihtyvä laajeneminen johtuu rakenteiden muodostumisesta, niin se tosiaan oletettavasti loppuu aikanaan. Näin voi myös käydä joissain malleissa, joissa kiihtymisen syynä on pimeä energia tai gravitaatiolain muutos. Ei tosiaan tiedetä, jatkuuko kiihtyminen ikuisesti.

Mainitsemasi idea on tosiaan esitetty, mutta se ei pysty selittämään havaintoja.

Lentotaidoton

Syksy: "Mikäli kiihtyvä laajeneminen johtuu rakenteiden muodostumisesta, niin se tosiaan oletettavasti loppuu aikanaan. Näin voi myös käydä joissain malleissa, joissa kiihtymisen syynä on pimeä energia tai gravitaatiolain muutos. Ei tosiaan tiedetä, jatkuuko kiihtyminen ikuisesti."

”Loppuu aikanaan”.Olen utelias. Kerro tarkemmin, mikä mahdollinen seikka teorioissa laajenemisen (kiihtyvän laajenemisen) lopettaisi (gravitaatio?, tai muutokset siinä?). Siis eräs muunnelma takaisinkelaamisesta? Kun laajeneminen loppuisi, niin taitaa potentiaali olla vähissä? Faasimuutos? (nehän ovat tapahtuneet aina kosmoksen jäähtyessä, mutta Espoossa esim. on jopa hypätty negatiivisiin lämpötiloihin eikä faasimuutoksesta tietoakaan).

Syksy Räsänen

Lentotaidoton:

Erilaisia malleja kiihtymisen selittämiseksi on tusinoittain, ja niissä syyt voivat olla erilaiset. En ryhdy asiaa tarkasti selittämään, mutta esimerkiksi malleissa, missä kiihtyvästä laajenemisesta on vastuussa avaruuden täyttävän kentä energia, kentän arvo voi pienentyä hitaasti avaruuden laajetessa niin että se menee lopulta nollaan eikä se enää vaikuta laajenemiseen.

Eusa

Olisiko jotain logiikkaa siinä, että kun laajeneminen sinänsä vertautuu fysiikan havaintopsykologiassa tasaiseen liikkeeseen, kosmologiassa vastaavaa olisi tasainen laajeneminen. Fysiikassa on päädytty suhteellisuuteen ja tosiasiaan, ettei tasaista liikettä oikeastaan ole olemassa, aina voidaan mitata kiihtyvyys jonkin suhteen ja usein keskeiskiihtyvyys. Kosmologiassa kiihtyvä laajeneminen voitaisiin vastaavasti mieltää isojen rakenteiden vuorovaikutusten suhteelliseksi ilmiöksi.

Kun takaa-ajaja saavuttaa, hän mittaa hidastuvan kiihtyvyyden - jos jää jälkeen, kiihtyvyys on nopeutuvaa. Voisiko olla niin, että keskimääräistä suuremmassa gravitaatiokentässä ajan hidastuessa mitataan muun kaikkeuden laajenevan kiihtyvästi. Toisaalta galaksien välissä keskimääräistä energiatiheyttä harvemmassa avaruudessa havaitsija mittaisi hidastuvan laajenemisen?

Ajatukset geometrisesta illuusiosta tuntuvat hyvinkin tutkimisen arvoisilta.

Pekka T.

Moi. Voisitko kertoa, noin niinkuin kansantajuisesti, että miten universumin kiihtyvä laajeneminen on loppujen lopuksi havaittu ja mitä havaintoa pidetään aikalailla oikeana? Ymmärrän jotenkin sen, että universumin laajeneminen sinänsä voidaan todeta mm. siitä, että mitä kauempana kohde on, niin sitä enempi kohteen lähettämän valon spektri on siirtynyt kohti punaista. Jos väitetään että laajeneminen on kiihtyvää, niin eikös silloin pidä tarkastella kohteita ja niiden loittonemisnopeuksia skaalalla "lähellä ja kaukana" ja vertailla näitä havaintoja toisiinsa? EHkä näin on tehtykin, mutta haluan silti kysellä näitä perusjuttuja kiihtyvästä universumin laajenemisesta.

Syksy Räsänen

Eusa:

Muistutettakoon, että kommenttiosio ei ole paikka omien teorioiden esittelemiseen.

Sirjou

Tuo kiihtyvä laajeneminen tuntuu siis vaativan jotain energiaa ulkopuolelta, eli mistä?

Lisäksi eikö kiihtyvyys tuo aina joitakin havaittavia muutoksia jossain suunnassa, esim. gravitaation kaltaisia voimia, onko tällaisia mahdollista havaita tai onko ylipäätään mitään koe järjestelyä tai ajatusta mitä mitattavia voimia tuo kiihtyvä laajeneminen tuo tullessaan.

Syksy Räsänen

Sirjou:

Kiihtyvä laajeneminen ei vaadi energiaa maailmankaikkeuden ulkopuolelta (eikä yleensä ottaen "maailmankaikkeuden ulkopuolella" tarkoita mitään).

Kiihtyvä laajeneminen on osa aika-avaruuden kaarevuutta, joka myös gravitaationa tunnetaan.

Eusa

Hm. Totta kai, kun kiinnostaa tietää millä aspekteilla kosmologiassa on spekuloitu, kyseinen ajatus täytyy avata. Ilmeisesti sinulla ei ole vastausta itse kysymykseen kosmologisesta illuusiosta, suhteellisuudesta. Myöhemmässä vastauksessasi ilmoitit, että kyseessä on gravitaatio, avaruuden kaarevuus, joten eiköpähän liene vielä poissulkematon hypoteesi sekin, että tuo kaarevuus itsessään vääristää havaintoja linssin tapaan jopa siten, ettei niitä osata vielä tulkita täysin oikein?

Jukka K

Maailmankaikkeuden rakenteellistumista tai pikemminkin rakenteellisuutta on käsittääkseni pystytty havainnollistamaan Hubblen saamien ja välittämien kuvien myötä. -Aivan toinen kysymys tulee tässä: Miten tiede näkee kosmisen säteilyn tekijänä maapallon lämpötilan nostajana valtamerien yllä muodostuvissa pilvissä. Kyseisten pilvien muodostumismekanismiahan ei käsittääkseni vielä täysin tiedetä...?

Syksy Räsänen

Jukka K:

Pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka eivät liity merkinnän aiheeseen.

lakcer

Uskotko että tämä tapa selittää havainnot säilyy vielä seuraavat 20 vuotta? Ja jos tämä kuva esimerkiksi tarkentuu, uskotko että tarkentumiseen johtava teoreettinen sysäys tulee hiukkasfysiikan havainnoista, vai kenties uusista astronomisista havainnoista? Vai käsitelläänkö tätä kysymystä peräti ko. kirjassa?

Syksy Räsänen

lakcer:

En jutussani juuri käsittele sitä, mikä havaintojen oikea selitys saattaa olla tai mistä sitä pitäisi etisä, kylläkin vähän sitä, millä tapaa niitä ei ole mielekästä lähestyä. On mahdotonta sanoa, mistä edistysaskel tulee, minulla on omat ajatukseni maailmankaikkeuden rakenteiden muodostumiseen ja toisaalta kvanttikenttäteorian yksityiskohtiin liittyen.

On mahdollista, että havainnot voi selittää ilman kiihtyvää laajenemista, vaikka siitä onkin jonkin verran todistusaineistoa (ainakin voidaan käytännössa varmasti sanoa, että laajeneminen on hidastunut odotettua vähemmän). Mitä kiihtymisen syyhyn tulee, siitä on nytkin tarjolla useita erilaisia selityksiä. Ei ole mahdotonta, ettievätkö niistä suosituimmat osoittautuisi vääriksi. Kyse on erilaisista epävarmuuden asteista.

Ks. http://www.tiede.fi/blog/2011/10/05/kirkkaudesta-pimeyteen/ kommentteineen.

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto