Fysiikassa tehdään jatkuvasti havaintoja, jotka näyttävät olevan ristiriidassa vallisevien teorioiden tai mallien kanssa. Asiat ovat harvoin heti selviä, koska tarkkojen mittausten tekeminen on herkkää puuhaa ja havaintojen tulkitsemisessa on mukana paljon oletuksia. Toisaalta teorian tai mallin ennusteiden laskeminen on joskus hankalaa, joten odotuksissakin saattaa olla epäselvyyttä.

Eräs merkittävä yleisen suhteellisuusteorian kanssa vuosikymmeniä kahnannut havainto on Pioneer-anomalia: luotaimet Pioneer 10 ja Pioneer 11 etääntyvät Auringosta odotettua hitaammin. Aurinkokunnan liikkeiden tutkimisella on ollut tärkeä rooli gravitaatioteorioiden ja aineen mallien kehittämisessä Newtonin ajoilta 1600-luvulta lähtien. Poikkeamat teorian ennusteista ovat selittyneet kolmella eri tavalla: tuntemattomalla aineella, uudella gravitaatiolailla tai virheillä havainnoissa ja niiden analyysissä.

Neptunus havaittiin sen perusteella, että Uranuksen rata ei vastaa Newtonin teorian ennustetta, paitsi jos on olemassa ennen näkemätön planeetta. Neptunuksen olemassaolo voitiin pikaisesti todentaa, koska --toisin kuin pimeän aineen-- planeetat voi havaita myös niiden heijastaman valon avulla. Samaa yritettiin Merkuriuksen radan poikkeamien kohdalla, mutta ehdotettua Vulkanus-planeettaa (jolla on sittemmin ollut populaarikulttuurissa iso rooli) ei näkynyt, ja poikkeamat selittyivät sen sijaan Newtonin gravitaatioteorian vaihtamisella yleiseen suhteellisuusteoriaan. Esimerkin kolmannesta vaihtoehdosta tarjoaa Uranuksen radan poikkeamaa selittämään tarjottu planeetta X, joka osoittautui tarpeettomaksi.

Pioneer-anomalia on tiedetty jo pitkään, mutta vasta viime vuonna laitettiin kasaan kaikki mittaukset luotainten radasta (osa oli hyvin antiikkisissa dataformaateissa) ja analysoitiin ne yhdessä. Tuntematon aine on suljettu pois, koska sen vaikutus Aurinkokunnan ulompiin kappaleisiin olisi nähty, joten jäljelle jää gravitaatioteorian muuttaminen tai virheiden löytäminen. Huhtikuussa ilmestynyt tutkimus on viimein ratkaissut, kumpi vaihtoehto on oikea.

Tutkijat rakensivat noin 15 000 osaa sisältävän tietokonemallin Pioneer 10 -luotaimesta, jossa on mukana kappaleiden sähkönjohtavuus, lämmönjohtavuus ja muut ominaisuudet. Mallin avulla simuloitiin, miten luotain käyttäytyy kulkiessaan Aurinkokunnassa. Erityistä huomiota kiinnitettiin siihen, paljonko lämpöä radioaktiivisesta voimanlähteestä ja sähkölaitteista säteilee avaruuteen.

Tutkimuksen mukaan luotaimen säteilemä lämpö, jota ei aiemmin oltu otettu kunnolla huomioon, selittää miksi luotain liikkuu odotettua hitaammin. Lämpö säteilee eteenpäin ja luotain vastaavasti siirtyy vähän taaksepäin. Tutkijat eivät mallintaneet Pioneer 11 -luotainta, mutta sen rakenne on hyvin samanlainen.

Monet poikkeamat ovat lyhytikäisempiä, vähemmän mielenkiintoisia ja enemmän julkisuutta saaneita kuin Pioneer-anomalia. Viimeaikaisten uutisten osalta mainittakoon, että neutriinoja tutkivan OPERA-kokeen puhemies ja tieteellinen koordinaattori erosivat maaliskuun lopussa saatuaan tutkimusryhmältä epäluottamuslauseen. Muiden poikkeamien selitys on vielä auki.

Fysiikan teoriat eivät seiso havaintojen varassa, vaan havainnot ja teoriat muodostavat monisidoksisen verkon. Sen vakaista alueista voi poistaa osan vain korvaamalla sen uudella, joka säilyttää yhteydet entisiin osiin ja mielellään luo uusia reittejä. Yhden havainnon selittäminen ei riitä, pitää selvitä kokonaisesta kimpusta. Mitä odottamattomampia poikkeamat ovat, sitä luultavimmin niissä on kyse havaintojen tai analyysin puutteista eikä teorian ongelmista, ja sitä voimakkaammin ne tarvitsevat tuekseen joko lisähavaintoja tai sidoksia selittävää ja kummallisuutta poistavaa teoriaa. Osien vaihtaminen ja verkon laajentaminen voi tapahtua yllättävillä tavoilla, joten kummallistenkin poikkeamien kohdalla on syytä olla vetämättä johtopäätöksiä pidemmälle kuin tieto oikeuttaa. Tieteessä ei ole kyse asioiden varmasta hylkäämisestä tai hyväksymisestä, vaan epävarmuuden vähentämisestä.

Kommentit (19)

romario

Tuo viimeinen kappale on sellaista asiaa, joka unohtuu esimerkiksi tämän lehden foorumilla meidän maallikoiden keskusteluissa. Yksittäinen tiedeuutinen voi olla mielenkiintoinen, mutta ei sen takia kannata ensimmäiseksi laittaa kaikkia teorioita uusiksi. Monta kirjoitusta olen lukenut missä tiedeyhteisön vallitseva näkemys heitetään jonkin yksittäisen havainnon perusteella romukoppaan ja muotoillaan itseä enemmän miellyttävä tilalle.

Tiedemies

Pioneer-anomalian ja vastaavien hämmentävien tai ainakin aiemmin hämmentäneiden havaintojen osalta olisi mielenkiintoista, jos voisit joko kommenttivastauksissa tai myöhemmissä kirjoituksissasi hieman puhua niiden suuruusluokista. Käsittääkseni Pioneer-anomalian suuruusluokka oli hyvin pieni, mutta esimerkiksi pimeän aineen, josta puhuit aiemmassa kirjoituksessasi, vaikutuksen suuruusluokka on valtavan suuri.

Pekka

Eikös kaikki tiedemiehet "kilpaile" siitä että kenen nimi pamahtaa jonkun arvostetun tiedelehden otsikoihin, jolloin CV:tä voi päivittää helposti? Silloin varsin heppoisinkin perustein (tarkoittaa omia arvauksia ilman näyttöä) koetellaan kepillä jäätä, niin sanoakseni. On olemassa paljon havaintoja ja paljon teorioita jotka ovat kiistelyn asteella, niin pitääkin olla, mutta hienointa olisi että tulisi joku älypää joka haastaa tai tarkentaa jonkun nykyisen teorian perinpohjin. Onkohan Nobel-palkitsemisen jakauma logaritminen suure...
Terveisiä valaille.

Syksy Räsänen

Tiedemies:

Pioneer-anomalia on erittäin pieni, ks. http://www.tiede.fi/blog/2008/05/30/pioneereista/ . Olen maininnut, että pimeää ainetta tarvitaan galaksien ulkoreunoilla paljon. Kaikkiaan pimeää ainetta pitäisi kaikkiaan olla neljä-viisi kertaa niin paljon kuin tavallista ainetta ( http://www.tiede.fi/blog/2008/08/06/pimeyden-henkilollisyys/ ), ja galakseissa sitä on keskivertoa enemmän. Linnunradan massasta noin 90% on pimeää ainetta. Joissain kääpiögalakseissa pimeää ainetta voi olla satoja kertoja enemmän kuin näkyvää ainetta. (Olettaen siis, että pimeä aine on oikea selitys havainnoille, mikä on luultavaa.)

Metusalah

"Tutkimuksen mukaan luotaimen säteilemä lämpö, jota ei aiemmin oltu otettu kunnolla huomioon, selittää miksi luotain liikkuu odotettua hitaammin. Lämpö säteilee eteenpäin ja luotain vastaavasti siirtyy vähän taaksepäin."

Sarjassamme maallikon tyhmät kysymykset: Mistä mahtaa johtua se, että Pioneer-anomalia ei toimi/vaikuta planeettojen ja niiden kuiden liikkeissä, vaikka ne kaikki ovat sisuksiltaan vulkaanisia ja säteilevät taatusti lämpöä siinä kuin Pioneeritkin? Ovatko planeettojen massat niin isoja, että anomalia ei niissä toimi?

Syksy Räsänen

Metusalah:

Sana anomalia viittaa siihen, että mallin ja havaintojen välillä on ero. Luotaimien lämpösäteilyä ei aiemmin mallinnettu oikein. Planeettojen kohdalla lämpösäteilyn rooli on erilainen (ja se vaikutus ratoihin on varmaankin mitätön), mutta vaikka ei olisi, kysymys olisi siitä onko se otettu huomioon.

Pentti S. Varis

Mistä sitten johtuu, että valon nopeus tyhjiössä on juuri c? (Samaa voisi ehkä kysellä joidenkin muiden vakioiden kohdalla.) Jos vastausta ei tunneta, fysiikkaa koskevassa tiedossa on valtaisa aukko. Koko maailman rakenne, jolla tuo c voitaisiin perustella, on vielä selvittämättä. Ja kuitenkin se hallitsee fysiikkaa niinkin yksinkertaisten yhtälöiden välityksellä kuin suppeamman suhteellisuusteorian yhtälöt ovat! Onko todella maailmankaikkeus niin yksinkertainen, että sellaiset yhtälöt voivat kertoa siitä jotain oleellista? Vai onko maailmankaikkeudessa monta erillistä "osa-avaruutta", joista yhdessä saadaan tietoa joistakin asioista, toisessa taas toisista asioista jne. Vai vaihteleeko lakien tarkkuus sen mukaan, mikä maailman "osajoukko" on kyseessä? Joka tapauksessa tietämättömyys c:n "syystä" on suorastaan raivostuttavaa.

Eusa

Pentti S. Varis:

Käsittääkseni c on ajankulun peruste. Jotta sekunti ja metri voidaan suhteuttaa tarvitaan informaation rajanopeudelle kiinteä arvo ja historiallisista syistä suhteen perusteeksi on muodostunut tietty lukuarvo. Jos tarkoitat "syyllä" sitä miksi informaatiolla on oltava rajanopeus, joudutaan pohtimaan havainnon kvantittumista ja jatkuvaan geometriaan projisoitua kausaliteetin säilyttämistä - mutta siinä filosofiassa ei ole oikeastaan avoimia ongelmia, vai onko?

Pentti S. Varis

Eusa: "Jos tarkoitat “syyllä” sitä miksi informaatiolla on oltava rajanopeus,.."

Itse asiassa en tarkoita, vaikka kysymys informaationsiirron rajanopeuden olemassaolosta on erittäin mielenkiintoinen niinkuin koko informaation käsitekin - joka loppujen lopuksi lienee tyhjä tai kuviteltu, ainakin hämärä, eikä missään tapauksessa substanssia..

Syksy, vaikka antamasi linkki on kiinnostava, se ei riitä lepyttämään raivoani.. En tarkoita sitä, miksi kyseisellä luonnonvakiolla on juuri se arvo kuin on, vaikka en kysymyksessäni tullut tätä selventäneeksi (enkä koskaan ole tullut ajatelleeksi, että valonnopeus ja valon nopeus ovat aivan eri asioita). Jos valonnopeus ei olisi sama kuin valon nopeus, lait varmaan vain pitäisi muotoilla aivan toisin - otaksuttavasti usein matemaattisesti monimutkaisemmiksi.

Tarkoitin yksinkertaisesti sitä, mihin maailman ominaisuuteen, rakennetekijään tms. perustuu, että valo etenee tietyllä, kenties maailman muuttuessa muuttuvalla nopeudella tyhjiössä. Valollahan voisi olla tyhjiössä eri nopeus, mikä milloinkin, mutta ei ole. Jos oletetaan, että valo ei ole pelkkä käsite, vaan jotain substanssia (esim. energiaa ja joitakin sisäisiä rakenteita tai "jännitteitä"), edetessään se otaksuttavasti noudattaa etenemisensä lakeja. Ainakin olen tottunut ajattelemaan, että kaikki aineellinen on lainalaista. Miksi nämä lait pakottavat sen etenemään suhteessa mittaajaan juuri sillä nopeudella kuin se etenee, eikä esim. nopeammin tai hitaammin? Tähän kysymykseen vastaaminen vaatisi mielestäni luonnon ja tyhjiön olemuksen syvenevää tuntemista (mihin pyritäänkin; esim. Lee Smolin kuvaa näitä yrityksiä kirjassaan Kvanttipainovoima)

Leone

Pentti S. Varis:

Valon nopeus c nousee esille Maxwellin yhtälöistä muodossa c = 1/sqrt(e0u0), missä e0 ja u0 ovat tyhjiöön liittyviä sähköstaattisia vakioita. Näin ollen valon nopeus on jotakin suhteessa siihen, miten sähkömagneettinen kenttä käyttäytyy sen luovan lähteen ympäristössä. Edelleen, tästä johtuen valo on jotakin, mikä on olemassa tuossa kentässä.

Ylläolevan nojalla valopulssia on luontevaa tarkastella ilmiönä, joka liikkuu nopeudella c nimenomaan kyseisen varauksen kentän suhteen, ja nimenomaan lähteen koordinaatistossa. Kysymys valon nopeudesta muissa koordinaatistoissa on tietysti myös mielenkiintoinen. Sen ei välttämättä tarvitse olla c, mutta silloin pitää pystyä selittämään kaikki havainnot suhteellisuusteorian vaihtoehtoteorioilla. Melkoinen homma, muttei ehkä mahdoton.

Anonyymi astrofyysikko

Kuten nimimerkki romario ylempänä kirjoittaa, yksittäisille tiedeuutisille ei kannata antaa liikaa painoarvoa. Esimerkiksi tuoreen tutkimuksen (http://xxx.lanl.gov/abs/1205.4033) mukaan vähän aikaa sitten uutisoitu pimeän materian näkymättömyys Linnunradan kiekon tähtien kinematiikassa perustuu väärään oletukseen tähtien (tai oikeammin useiden tähtien) liiketilasta. Tarkempi selitys on vähän tekninen liittyen siihen, että kaukana kiekon tasosta olevien tähtien radat poikkeavat melko paljon ympyräradoista. Joka tapauksessa abstrakti kiteyttää asian melko hyvin - jos alkuperäisessä jutussa tehty oletus pitäisi paikkansa, nopeuksista laskettu rotaatiokäyrä (ympyräratanopeus keskipisteestä mitatun etäisyyden funktiona) ei vastaisi mitään fysikaalisesti mielekästä massamallia. Ja kun tehty virhe korjataan, pimeä materia ilmestyy taas kehiin.

Eusa

Anonyymi astrofyysikko:

Eräs ihan yleisen suhteellisuusteorian mukainen ajatus tulee pimeästä massasta väkisin mieleen: Kun gravitaatiomuutosten vaikutusnopeus rajautuu kausaliteetin säilyttävään rajanopeuteen, voi hyvinkin alkaa pitkillä etäisyyksillä tulla esiin tilastollisuus. Galaksin mukana pyörivä materiaali reagoi sitä pidemmällä viiveellä galaksin keskumassoihin mitä kauempana se on. Silloin lähimmät rakenteet pyrkivät säilyttämään muotonsa. Mitään eetteriähän ei ole osoitettu olevan joten kokonaisuuden tilastollisen rotaatiokäyrän muoto yleisen suhteellisuusteorian mukaan ilman sitomista laajaan taustaan odottaisikin pyrkivänkin tasaisuuteen. Vrt. Merkuriuksen perihelin kiertyminen. Ei kai voi olettaa Keplerin lain pätevän jatkuvien gravitaatiomuutosten mukana?

Anonyymi astrofyysikko

Eusa: suhteellisuusteoreettisten efektien vaikutuksia rotaatiokäyriin on tutkittu ja todettu ettei pimeästä materiasta sillä tavoin päästä eroon. Pimeä materia tulee näkyviin galaksien rotaatiokäyrien lisäksi myös massiivisten galaksijoukkojen aiheuttamassa gravitaatiolinssi-ilmiössä. Ja galaksin "globaalissa massajakaumassa" tapahtuvat muutokset ovat hyvin hitaita verrattuna siihen aikaan, joka valolta kestää kulkea galaksin lävitse, eivätkä nämä muutokset ole luonteeltaan sellaisia että niistä aiheutuisi kuvailemaasi ilmiötä.

Eusa

Pitäydyn epäilyssäni. Tähdistörakenteiden priorisoituminen Keplerin lain kustannuksella sitoo "sidos"energiaa; avaruuden suhteellinen kaarevuus on syvempi ja pitkillä etäisyyksillä kausaliteetin säilyttämiseen liittyvä hitaus näkyy ulkopuolelle massana. En ole törmännyt pimeän aineen tutkimukseen, jossa yleisen suhteellisuusteorian prinsiipit olisi kaikilta osin huomioitu.

Syksy Räsänen

Anonyymi astrofyysikko:

Kiitos.

Eusa:

Kuten on mainittu, pimeää ainetta ei tarvita selittämään vain tähtien ja kaasun liikkeitä galakseissa, vaan useita muitakin havaintoja. Eräs näistä on kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet, joiden syntyä käsitellään yleisen suhteellisuusteorian puitteissa.

Eusa

Syksy:

Kuten kosmologiassa niin usein, taustasätelyyn liittyenkin, pimeän aineen hypoteesi on kehäpäätelmällinen johtopäätös. Mutta niin kaiken kuvailevan on ainakin osin oltavakin. Logiikka, joka sopii kahteen tillanteeseen, on varsin todennäköisesti toimiva kolmannellekin. Se ei kuitenkaan edellytä logiikalta mitään erityisiä entiteettejä ennen kuin sellaisesta on saatu suoraa havaintoa. Vrt. noste - sitä ei aiheuta dipolaarinen hiukkanen (kuten sähkömagnetismissa) vaan hiukkasen puute, energiatiheyden suhteellinen ero. Samoin voi olla pimeän aineenkin kanssa - pimeän energianhan jo tiedämme osoittautuneen geometrialtaan tasaisen kosmologisen vakion kaltaiseksi. Hauskahan se olisi, jos pimeän aineen hiukkaisia löytyisi, mutta henkilökohtainen intuitioni itsepintaisesti väittää muuta... ;)

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