Kosmista mikroaaltotaustaa mittaavan Planck-satelliitin laukaisuajankohta on siirtynyt ties kuinka monennen kerran; alun perin Planckin oli määrä nousta kiertoradalle vuoden 2007 loppupuolella tai 2008 alussa. Viiveaskelten pituus on kuitenkin lyhentynyt, joten on toivoa, että niiden summa on äärellinen ja satelliitti aloittaa toimintansa lähitulevaisuudessa.

Toisen samassa aikataulussa myöhästyneen merkittävän kokeen, LHC:n, käynnistymistä odotettiin (ja uudelleenkäynnistymistä odotetaan) mielenkiinnolla siksi, että LHC luotaa uutta fysiikan aluetta, jolta löytyy varmasti jotain ennen näkemätöntä: fyysikkojen jargonissa LHC on "discovery machine". Planck sen sijaan syynää tunnettuja tienoita huomattavasti aiempaa yksityiskohtaisemmin, kyseessä on "precision experiment" .

Signaalin eristäminen havainnoista on monimutkainen prosessi niin Planckin kuin LHC:n tapauksessa. Kokeita suunniteltaessa niistä tehdään mittavia simulaatioita, joissa otetaan huomioon etsitty signaali, mittauksiin vaikuttavat häiriöt, laitteiston toiminta ja muita tekijöitä. Ilman yksityiskohtaisia simulaatioita olisi mahdotonta tietää, mitä koe todella pystyy kertomaan, ja arvioida kannattaako se suorittaa. Päivät jolloin kokeellista hiukkasfysiikkaa tai kosmologiaa saattoi tehdä nopeasti improvisaatiolla ja intuitiolla ovat nostalgista historiaa. Jos nykyään kokeessa on mukana sata ihmistä ja sata miljoonaa euroa, niin se on pieni. (Planck ei ole kummallakaan mitalla pieni koe.)

Simulaatiot ovat välttämätön osa kokeiden suunnittelua, mutta viime vuosina, Planckin ja muiden kosmologisten kokeiden havaintoja odotellessa, on julkaistu yhä enemmän tieteellisiä artikkeleita pelkästään simuloidun datan pohjalta. Nämä julkaisut kertovat, että jos havainnot olisivat nämä, niin niistä voitaisiin vetää tuollaisia yksityiskohtaisia johtopäätöksiä. Tässä tietysti oletetaan, että simulaation sisään laitettu kosmologinen malli on oikea, mutta kun kokeiden pääasiallinen anti on tämän seikan testaaminen, tällaisen tutkimuksen hyöty on rajoitettu.

Simuloidun datan itsetarkoituksellista tutkimista esiintyy enemmän kosmologiassa kuin hiukkasfysiikassa. Eräs syy tähän lienee sosiologinen. Kummallakin alalla on malli, joka selittää havainnot tyydyttävästi. Hiukkasfysiikan Standardimalli on vakaa ja hienostunut teoreettinen rakennelma. Kosmologiassa sen sijaan on kokoelma palasia -inflaatio, pimeä aine, pimeä energia- joista mitään ei tunneta yksityiskohtaisesti, eikä tiedetä miten ne sopivat yhteen. Kosmologian epävarmuus tukee tarvetta pönkittää omaa "standardimallia". Sen tutkiminen, miten tarkkaan tätä mallia voi mitata, korostaa mallin asemaa, ja on siten mielekästä siinä missä saman tekeminen hiukkasfysiikan Standardimallille olisi mielenkiinnotonta. Yhteistä hiukkasfyysikoille ja kosmologeille on se, että yllättävät löydöt on se, mitä kokeilta todella toivotaan: kukaan ei halua, että simuloitu tylsyys osoittautuisi todelliseksi.

Kommentit (4)

Pekka

Tulkitsinko oikein että tiedemaailmassa tietokonesimulaatio on lähtökohta sille mitä havaintomateriaalista haetaan ja etsitään? Onko siis niin, että kokeista saatava data on niin massiivista että pitää olla jotain "simuloitua" mitä sieltä etsiä? Mutta eikös silloin ole vaara, että havainnoista jää huomaamatta jotain mitä ei ole osattu odottaa esim. simulaation puutteellisuuden takia, ja ehkä joku tärkeä löytö tai havainto jää näin tekemättä?

Syksy Räsänen

Pekka:

Simulaatiot eivät ole lähtökohta, vaan apuväline. Tämän apuvälineen tarpeellisuus on erilainen eri kokeissa. LHC:n tapauksessa signaalin eristäminen taustasta olisi jokseenkin mahdotonta ilman simulaatioita, kun taas Planckin datan analysoimiseen ei tarvita simulaatioita (vaikkakin niitä usein käytetään apuna).

Riippuvuus simulaatioista tietysti vaikuttaa siihen, mitä etsitään, ja voi ääritapauksessa johtaa siihen, että jotain jää huomaamatta, koska dataa analysoidaan tietyllä tavalla. Tämä on osa sitä luonnontieteen yleistä piirrettä, että käytetty malli vaikuttaa siihen, mihin havaintoihin kiinnitetään huomiota.

Käytännössä esimerkiksi LHC:tä varten simuloidaan uusien teorioiden lisäksi Standardimallia, jotta tiedetään, mitä sen mukaan pitäisi havaita. Havainnot, jotka poikkeavat tästä ovat osoitus uudesta fysiikasta. Signaalin yksityiskohtaiseen tulkitsemiseen tarvitaan sitten simulaatioita siitä mallista, joka signaalin selittäisi. Jokaiselle uutta fysiikkaa kuvaavalle mallille pitää siis olla omat simulaatiot.

Pekka

"Käytännössä esimerkiksi LHC:tä varten simuloidaan uusien teorioiden lisäksi Standardimallia, jotta tiedetään, mitä sen mukaan pitäisi havaita. Havainnot, jotka poikkeavat tästä ovat osoitus uudesta fysiikasta."
Jos uusien teorioiden simulaatio ei kuitenkaan jostain syystä toimi, on puutteellinen tms. niin silloinhan poikkeava havainto jää helposti huomaamatta? Eikös silloin ole mahdollista, että tutkijoilla ympäri maailmaa on jo nyt niin paljon dataa mikä havaittuna voisi johtaa uuteen fysiikkaan?

Syksy Räsänen

Pekka:

Lainaamassasi virkkeessä puhutaan tunnetun Standardimallin simuloimisesta, ei uusien teorioiden.

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