Arkhimedes-lehden tänään ilmestyneessä numerossa 1/2013 on puolipopulaari artikkelini Rakennemuutosta maailmankaikkeudessa. Aiheena on rakenteiden muodostumisen vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen, mikä on tällä hetkellä keskeinen tutkimuskohteeni. Ote: 

"Se mahdollisuus, että kosmologisten rakenteiden muodostumiseen liittyvä varianssin kasvu kasvattaisi laajenemisnopeutta ja selittäisi havainnot ilman pimeää energiaa tai muokattua gravitaatiolakia tunnetaan nimellä takaisinkytkentäkonjektuuri (backreaction conjecture). Tämä olisi konservatiivinen selitys, joka ei edellyttäisi mitään uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, kyse olisi vain yleisen suhteellisuusteorian epälineaarisista piirteistä, joita ei ole aiemmin kunnolla ymmärretty."

Kommentit (34)

Cargo

Löytyykö maailmalta sellaista tutkimusta, jossa koetetaan löytää sopivia estimaatteja Einsteinin yhtälöihin, että saataisiin teoreettinen varmistus kosmisten rakenteiden muodostumiselle? En tarkoita mitään approksimaatioita yhtälöistä, vaan pitäviä ylä- tai alarajoja kriittisiin kohtiin.

Kvanttimekaniikassahan on integraaliepäyhtälöillä saavutettu tärkeitä tuloksia, esim. "aineen vakaus". Yksinkertaisella Hardyn epäyhtälöllä voi todistaa, ettei elektroni syöksy ytimeen vetyatomissa, mutta yleinen tilanne vaatii Sobolevin epäyhtälön soveltamista perustilan energialle.

Syksy Räsänen

Cargo:

En ymmärrä, mitä tarkoitat ilmaisulla "teoreettinen varmistus kosmisten rakenteiden muodostumiselle". Einsteinin yhtälön eksakteja ratkaisuja kyllä tunnetaan, ja niissä on tutkittu rakenteiden muodostumista. Niissä olevat rakenteet ovat kuitenkin paljon yksinkertaisempia kuin todellisen maailmankaikkeuden rakenteet.

En myöskään ymmärrä kvanttimekaniikkavertausta. Kun ratkaisee Schrödingerin yhtälön vetyatomille, niin näkee suoraan, että on olemassa stabiili perustila.

Cargo

Tarkoitan sitä, että jos tarkastelee näitä Einsteinin yhtälön eksakteja ratkaisuita (varmasti helvetin vaikeita), niin jos niihin soveltaa joitain matemaattisia ehtoja, niin onko mahdollista saavuttaa "pakotettu" ehto havaitunlaisen kosmisen rakenteen muodostumiselle? Tämä siis olettaen, että GR on todellisuutta tarpeeksi hyvin kuvaava malli.

Kvanttimekaniikan vertaus johtuu taas siittä, että tarpeeksi monimutkaisessa tapauksessa, esim kulta, ei perustilan energiaa ja näin ollen atomin vakautta voi tuosta vain analyyttisesti osoittaa. Tästä syystä ne estimaatit tulevat kvattimekaniikassa - ja suhtiksessakin - tarpeeseen.

Lisäksi pikku täky, jos opetat kvanttimekaniikkaa: osoita, että vetyatomin (minkä tahansa atomin) perustila, ja samalla energia(!), on yksikäsitteinen.

No joo, tarkoitus ei ole ärsyttää. Vastaus löytyy esim. kirjasta: E. H. Lieb & M. Loss, Analysis.

Syksy Räsänen

Cargo:

En ymmärrä, mitä tarkoittaa "saavuttaa ”pakotettu” ehto havaitunlaisen kosmisen rakenteen muodostumiselle". Mutta vastaus riippunee siitä, kuinka realistisia rakenteita haluaa.

Kirjoitit ensimmäisessä kommentissa vetyatomin vakaudesta.

Cargo

"Kirjoitit ensimmäisessä kommentissa vetyatomin vakaudesta."

Niin kirjoitinkin ja kyse oli nimenomaan vertauksesta yleiseen suhteellisuusteoriaan. Hardyn epäyhtälö tarjoaa sopivan estimaatin, jolla vetyatomin energiafunktionaali voidaan minimoida, mutta mielivaltaisessa atomissa tarvitaan Sobolevin epäyhtälöä äärellisen (vakaan) perustilan osoittamiseen.

Alkuperäinen kysymys oli, että tiedättekö te onko vastaavia malleja kosmisen rakenteen selittämiseksi olemassa, ilman että Einsteinin yhtälöitä ratkaistaisiin viimeisen päälle tarkasti?

Pentti S. Varis

Syksy kirjoitti:”Se mahdollisuus, että kosmologisten rakenteiden muodostumiseen liittyvä varianssin kasvu kasvattaisi laajenemisnopeutta ja selittäisi havainnot ilman pimeää energiaa tai muokattua gravitaatiolakia tunnetaan nimellä takaisinkytkentäkonjektuuri (backreaction conjecture). Tämä olisi konservatiivinen selitys, joka ei edellyttäisi mitään uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, kyse olisi vain yleisen suhteellisuusteorian epälineaarisista piirteistä, joita ei ole aiemmin kunnolla ymmärretty.”

Yritin lukeakin yhtä ko. konjektuuria käsittelevää tutkimustasi, mutta siinä oli niin paljon erikoistermejä, joita en tuntenut, että en tahtonut ymmärtää mitään. Koska kuitenkin kuulun pimeiden suureiden "vastustajiin" olisi kiinnostavaa ymmärtää jotain.

Epälineaarisia systeemejä (kuten itseorganisaatiota) olen harrastanut jollakin tasolla. Niistä tulee mieleen yksinkertainen ajatus, että suhteellisuusteoriassa voisi oletettavasti olla systeemejä, "funktioita", joihin kosmoksen edellinen tila (tai jokin sitä luonnehtivan suureen arvo) aina sijoitettaisiin ja näin saatu tilojen seuraanto voitaisiin esittää jonkinlaisena aikasarjana, jonka peräkkäisillä jäsenillä olisi suuri vaihtelu.

Tämä ilmenisi mittauksissa tavalla, jonka epälineaarisista aspekteista tietämättömät tulkitsisivat pimeinä suureina.

Mutta tuskinpa tätä backreaction conjecturen pääpiirteittäistä selitysyritystä voi pitää edes valistuneena arvauksena. Enempään eivät omat resurssini kuitenkaan riitä..

Syksy Räsänen

Cargo:

En ymmärrä kysymystä, enkä vertausta johon se pohjaa. Jos kysymys on siitä, että voidaanko osoittaa eksaktisti, että muodostuu täysin havaitunlaisia rakenteita, niin vastaus on että ei tietenkään. Mitään eksakteja malleja täysin realistisille kosmisille rakenteille ei ole, sen enempää kuin on eksakteja malleja täysin realistisille atomeille.

Jos puhutaan täysin realististen rakenteiden sijaan rakenteista, joilla on joitakin realististen rakenteiden piirteitä, niin vastaus riippuu siitä, mistä piirteistä on kyse, eli millä tapaa rakenteiden halutaan olevan realistisia.

Pentti S. Varis:

Hiukkaskosmologian tutkimukseen on mahdotonta osallistua, ellei tunne sekä siihen liittyvän fysiikan yksityiskohtia (matemaattisesti ja fysikaalisesti, ei vain kuvailevalla tasolla) että tutkimuksen kenttää.

Pekka Janhunen

Muistan kun puhuit aiheesta joskus viitisen vuotta sitten, on mukava että tutkimus on jatkunut. Olin silloin sitä mieltä ja olen edelleen että kuulostaa ongelmalta jota ei voi ratkaista kirjoituspöydän ääressä, vaan tarvitaan numeerista simulaatiota.
Toinen asia: Muistan että joku nuorehko tyyppi yliopistolla puhui viitisen vuotta sitten gravitaatiolinssien antamasta valintaefektistä havaintoihin (jotkut kaukaiset alueet näkyvät suurentuneina ja toiset pienentyneinä). Tiedätkö onko tuota mietitty enempää ja auttaako/vaikeuttaako se laajenemishavaintojen selittämistä backreaction-konjektuurin avulla?

Aleksi

Miksi ei teoreettisenfysiikan opetukseesi liity vuorovaikutteista pedagoogisuutta? Ja miksi ei ole laskupajoja.

Muutenhan olet fiksu. Tukkakin kunnossa. Aika tummat vaatteet yleensä.

Esa

Hei syyslintu,

Kannattaako fysiikan opiskelu, jos ei lehtorin työt kiinnosta? Kiinnostaa fysiikka paljon, mutta vanhemmat pelottelevat, että minusta tulee lukionlehtori tai, että tulen olemaan köyhä tutkija alle siivojan palkan.

Onko neuvoja?

Kiitos

Syksy Räsänen

Pekka Janhunen:

Ei ole selvää, miten yleisen suhteellisuusteorian oleellisia piirteitä voisi ottaa mukaan simulaatioihin (kosmologiset simulaatiot ovat täysin newtonilaisia), asiaa pitää miettiä enemmän. Tällä hetkellä olen mukana projektissa, jossa tutkitaan tilannetta newtonilaisissa simulaatiossa jotta kaikki ymmärrettäisiin niissä ennen siirtymistä vaikeampaan tilanteeseen.

Gravitaatiolinssien aiheuttamia muutoksia kohteiden kirkkaudessa on toki tutkittu. Gravitaatiolinssit kuitenkin vain siirtävät kirkkautta kohdasta toiseen, havaintojen selittämiseksi keskimääräisen kirkkauden pitää laskea.

Syksy Räsänen

Aleksi:

Kysymys ei liity merkinnän aiheeseen, joten ei siitä enempää täällä. Palautetta kursseista kannattaa jättää WebOodin palautelomakkeeseen tai tulla toimistooni juttelemaan.

Syksy Räsänen

Esa:

Fysiikasta valmistuneiden työllistymistilanne on erittäin hyvä, ja valmistuneet sijoittuvat useisiin erilaisiin työpaikkoihin. Vain pieni osa valmistuneista jää lopulta yliopistolle töihin. Mitä tutkijoiden palkkoihin tulee, ne vaihtelevat suuresti eri maissa, esimerkiksi Italiassa ja Espanjassa ne ovat varsin alhaiset, Suomessa palkka ei ole huono.

Ks. http://www.tiede.fi/blog/2012/06/27/tyonhaaroja/

Pekka

Mikäli rakenteiden muodostuminen vaikuttaa maailmankaikkeuden laajenemiseen, eikä pimeää energiaa olekaan, niin mitä seurauksia näet tällä olevan maailmankaikkeuden tulevaisuuden ja lopullisen kohtalon kannalta?

Itseäni on joskus on mietityttänyt sellainen vaihtoehto, että maailmankaikkeus ei laajene ikuisesti eikä myöskään romahda kasaan vaan laajeneminen hidastuu ja lopulta pysähtyy ja maailmankaikkeus säilyy siinä koossa ikuisesti. Onko tälläinen vaihtoehto mahdollinen mikäli laajeneminen on seurausta rakenteiden muodostumisesta vai onko se mahdollinen ylipäätään missään mallissa?

Kiitokset mielenkiintoisesta blogista!

Syksy Räsänen

Pekka:

Tällöin kiihtyvä laajeneminen lakkaa jossain vaiheessa, ja maailmankaikkeuden laajeneminen taas hidastuu. Lopullisesta kohtalosta ei oikein voi vielä sanoa mitään, siihen teoreettinen ymmärryksemme kosmologiasta on vielä liian heikko.

Staattinen maailmankaikkeus on epästabiili tila, realistisessa tilanteessa maailmankaikkeus joko laajenee tai romahtaa.

MrrKAT

hiukan o.t.: HS:ssä on juttu filosofi Juha Himangan hyökkäyksestä Enqvistiä+Valtaojaa vastaan ja filosofi vieläpä kyseenalaistaa Einsteinin teoriat, Tieteessä tapahtuu 3/2013 -lehdessä.

Syksy Räsänen

MrrKAT:

On koomista, että Himanka arvostelee Enqvistiä ja Valtaojaa siitä, että he kommentoivat filosofiaa vaikka eivät tunne sitä, mutta omistaa suuren osan artikkelistaan suhteellisuusteorian kritiikille. Hänen tekstinsä suhteellisuusteoriasta sisältää ilmeisiä ja vakavia virheitä, ja osoittaa, että hän ei tunne yleisen suhteellisuusteorian fysikaalista sisältöä eikä historiaa. Mutta ei siitä ehkä sen enempää.

Lentotaidoton

Ihan pikkasen vain. Luin itse kirjastossa tuon Tieteissä Tapahtuu lehden. Luulin, että siinä olisi se syksyn kirjoitus, mutta muistin lehden väärin. Oikein yökötti. Että tällaisillako tiedoilla arvon filosofit hyökkäävät Enqvistiä ja Valtaojaa kohtaan (ja fyysikoita yleensä). Minusta tässä olisi selvä puolustuksen paikka. Sopiva mies hommaan olisi Syksy (nämät kaksi asianomaista jäävejä). Näitä nyt ei suuri yleisö lue, mutta kyllä nyt jäisi muuten muiden alojen akateemisille AIVAN nurja käsitys.

Syksy Räsänen

Lentotaidoton:

En tiedä kuinka vakavasti Himangan kirjoituksia otetaan. En oikein ymmärrä, miksi Himingan artikkeli nostettiin esille Helsingin Sanomissa, mielestäni se ei ole kovin huomionarvoinen.

Tiina Raevaaralla on hyviä huomioita (jotka eivät liity Himingan suhteellisuusteoriaa koskevien väitteiden sisältöön) aiheesta Suomen Kuvalehdessä.

http://suomenkuvalehti.fi/blogit/tarinoita-tieteesta/filosofin-vaarinymm...

Lentotaidoton

Minä taasen ymmärrän hyvinkin, miksi HS on tarttunut koukkuun. Tieteissä Tapahtuu kaltaiset julkaisut eivät tavallista tallaajaa paljon hetkauta. Tekstikin on usein kuivaakin kuivempi (voi tietenkin johtua omasta vinoisuudestani/mielenkiinnosta/sen puuttumisesta eri tieteiden suhteen). Erilainen (tieteellisesti tökerö/seiskaan verrattava) lähestymistapa on herkkua medialle. HS:kaan ei näemmä enää pärjää pelkällä asialinjalla. Raevaaran kommentit asiallisen hyviä.

Jäi vain kaivelemaan se, että JONKUN olisi nyt vaikka kädestä pitäen opetettava Himangalle hieman suhteellisuusteoriaa. Nyt (HS:n jälkeen) suurellekin yleisölle jää kuva, että kait se suhteellisuusteoriakin, jota on sata vuotta hehkutettu, on jotenkin hämärä, todentamaton ja jopa väärin (ja sen myötä koko fysiikka). Fysiikkaan perehtymätön ei ymmärrä suhteellisuusteoriasta muuta kuin nimen ja tekijän. Ja se joku oikaisukirjoituksen tekijä olisi mielestäni Syksy Räsänen.

HuuHaata

Tiina Raevaara:
"Vaatimus koskee kuitenkin vain tilanteita, joissa henkilöt todella esiintyvät asiantuntijoina."

Esiintyykö Syksy tässä blogissa asiantuntijana? Eikö sama tilanne säily, vaikka hän kirjoittaisi osan postauksistaan vaikkapa Israelin tilanteesta tutkijan näkökannalta? Vai saako vain akateemisuutensa takia julkisuudessa oleva henkilö valita mielivaltaisesti milloin käyttää julkisuutta akateemisena henkilönä ja milloin muuten? Ja yleisökö valinnan aina kykenee ymmärtämään?

"Kirjoituksessaan hän arvostelee Enqvistiä ja Valtaojaa aivan kuin nämä olisivat kirjoittaneet populaarit kirjansa tieteellisiksi puheenvuoroiksi. ”Tarkastelen tässä akateemisen keskustelun viimeaikaisia ääri-ilmiöitä”, Himanka kirjoittaa jo artikkelinsa ingressissä."

Eikö tieteen popularisointi ole akateemista keskustelua? Mitkäs olivatkaan yliopiston perustehtävät yhteiskunnassa? Eikö peruskurssin pitäminen yliopistolla ole akateemista keskustelua? Eikö ylipäätään kaikki kannanotot, joita akateemisilla ansioillaan julkisuudessa oleva taho esittää ole osa akateemistä keskustelua?

HuuHaata

"Hänen tekstinsä suhteellisuusteoriasta sisältää ilmeisiä ja vakavia virheitä, ja osoittaa, että hän ei tunne yleisen suhteellisuusteorian fysikaalista sisältöä eikä historiaa. Mutta ei siitä ehkä sen enempää."

Eikö tässä olisi selkeä paikka auttaa toista tutkijaa mäessä kertomalla selkeästi, mitkä kohdat ovat selkeästi väärin (alan tutkijalta tämä tuskin kauaa veisi)? Pahimmillaan tästä palveluksesta ei seuraisi mitään, ja parhaimmillaan tiedekentän ymmärrys asiasta kasvaisi ja näin myös mahdollisuus aitoon debattiin.

Pekka Janhunen

"Gravitaatiolinssit kuitenkin vain siirtävät kirkkautta kohdasta toiseen, havaintojen selittämiseksi keskimääräisen kirkkauden pitää laskea."
Kyllä, mutta ajatus oli muistaakseni sellainen että suurin osa supernovista on tiheissä alueissa jotka myös todennäköisemmin ovat meistä katsoen linssien vääristämiä koska tiheän alueen lähellä on usein muita tiheitä alueita. Tähän läheisesti liittyvä kysymys lienee, onko supernovien tiheys baryonisen aineen tiheyden lineaarinen funktio vai kasvaako se mahdollisesti nopeammin kuin lineaarisesti. Voisin kuvitella että epälineaarisesti, koska liian harva kaasupilvi ei romahda eikä muodosta tähtiä eikä supernovia.

Jernau Gurgeh

Hei Syksy.

Tämä menee merkinnän ohi, mutta palaan hetkeksi tähän Valtaoja-Enqvist-Himanka-Raevaara-suhteellisuusteoria-hässäkkään, jos sallit.

Olen ymmärtänyt, että varhaista maailmankaikkeutta tai mustia aukkoja tutkittaessa täytyy suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka yhdistää. Ongelma kuitenkin on siinä, että niiden yhtälöt antavat vastaukseksi äärettömyyksiä tai jotain vastaavaa järjetöntä, josta ei saa mitään otetta.

Varsinaiset kysymykseni liittyvät tuosta seuraaviin johtopäätöksiin. Onko maailmankaikkeudessa asioita, joista emme vain pysty saamaan koskaan mitään tietoa, eli yhtä kaikenkattavaa teoriaa ei ole edes olemassa?

Jos yhtenäinen kaikenkattava teoria on olemassa, mutta se ei ole johdettavissa kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian yhdistämisellä, niin toinen edellä mainituista on osittain virheellinen, ehkä jopa molemmat?

Tarkoitukseni ei ole Himangan hengessä kyseenalaistaa suhteellisuusteoriaa vaan saada tutkijan näkemys asiaan: Kuinka suuri luottamus (tai looginen johtopäätös kaikesta tunnetusta) tiedeyhteisössä on siihen, että on olemassa yksi kaikenkattava teoria? Jos kaikenkattava yhtenäisteoria on olemassa, kuinka luontevasti kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria sulautuvat osaksi sitä, ilman että niitä täytyy muokata yhtään?

Syksy Räsänen

Pekka Janhunen:

Tuollaisten efektien vaikutus on luultavasti vähäinen. Lisäksi kasvaneista etäisyyksistä (eli nopeammasta laajenemisesta) on muitakin havaintoja, joihin tuollaiset valintaefektit eivät vaikuta lainkaan.

Eusa

Jernau Gurgeh:

Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa determinisisesti makromaailman geometriaa ja kvanttidynamiikka todennäköisyyksiin perustuen tapahtumien etenemistä lähinnä ns. mikromaailman ilmiöissä. Niiden pätevyysalueet ovat selvästi erit. Yhtä mutkattomasti kuin Newtonin ja Maxwellin fysiikan projisoituminen eräiksi erikoistapauksiksi uudemmissa teorioissa ei ehkä yhtenäisteorian rakentaminen käy, mutta käsittääkseni mitään matemaattista estettä ei ole.

Kysymys siitä tarvitaanko täsmennyksiä voisi saada vastauksen historiasta: lienee yhtä todennäköistä kuin miten Newtonin geometriaan on tullut korjauksia suhteellisuusteoriasta, kun mallia on pyritty rakentamaan yleistäen se koskemaan laajemminkin havaittuja ilmiöitä, niin vastaavasti korjauksia kyllä tulee. Näissäkin kommenteissa ja bloginpitäjänkin vihjailemissa toistaiseksi vielä pimeissä ja ehkä jopa mustissa ilmiöissä on erittäin varteenotettavaa, että näemme aikaisempaan katsantoon nähden uutta muuttunutta fysiikan mallia ja käsitystä.

Mitä takaisinkytkentä-kosmologiaan tulee, mielenkiintoista näyttäisi olevan kaasu-neste-kiinteä-analogia gravitationaalisena sidoskäyttäytymisenä selittämään homogeenisuuden ja isotrooppisuuden näyttäytymistä havainnoissa toisaalta taustasta ja toisaalta kehityksen myötä rakentuneesta kosmisen mittaluokan fraktaalievoluutiosta. Kiitoksia aiheen nostamisesta framille - itse ainakin sain uusia näkökulmia.

Näyttää, että muokatun yleisen suhteellisuusteorian gravitaation ehdotuksia kaivataan. Olisi mukava nähdä Syksyn listaus niistä tämän hetken ehdokkaista, jotka vaikuttavat lupaavimmilta, top 5 ? Se kertoisi tuohon backreaction conjecture -periaatteeseen perehtymättömimmille jotain siitä mitä voisi olla haussa...

Jernau Gurgeh

Kiitos vastauksista Syksy ja Eusa. Syksylle vielä erityinen kiitos mielenkiintoisesta blogista.

Pentti S. Varis

Tekisi mieli tietää, miten backreaction konjecture olennaisimmin eroaa Iiro Viljan tutkimusryhmän tavoitteista osoittaa, että painovoima on suuressa mittakaavassa epälineaarinen sisältäen korkeamman kertaluvun kaarevuustermejä.

Olisi myös kiinnostava tietää, vaatisiko Einsteinin teoriaan yhtyvä (tai jopa sitä paremmaksi sanottu) Gunnar Nordströmin lisätermillä korjailtu suhteellisuusteoria pimeitä suureita.

Syksy Räsänen

Pentti S. Varis:

Takaisinkytkentäkonjektuurilla ei ole mitään tekemistä muokattujen gravitaatioteorioiden kanssa.

J. H.

Maalaisjärki sanoisi, että kiihtyvä liike edeltää luonnossa aina potentiaalista törmäystä johonkin.

Voiko nykyisistä havainnoista ja teorioista päätyä skenaarioon, jossa olisimme esim. lähestymässä sykkivän maailmankaikkeuden, tämän ajan "peräseinää"?

Jos alkuräjähdys tapahtui yhden pisteen sijaan kaikkialla yhtä aikaa (olen lukenut asiaa näin kuvailtavan), onko kääntäen mahdollista, että loppuromahduskin tapahtuisi kaikkialla yhtä aikaa, niin että havainnoitsijasta katsoen edeltävä tilanne näyttäisi kiihtyvältä laajenemiselta?

Olisiko tämän suuntaisia ajatuksia vaikeampi esittää tieteen foorumeilla?

Syksy Räsänen

Mainittakoon, että tarjosin Tieteessä tapahtuu -lehden numeroon 4/2013 julkaistavaksi vastausta Himangan suhteellisuusteoriaa koskeviin väitteisiin, lehden on määrä ilmestyä kesäkuussa.

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