Matematiikan ja havaintojen avulla kohti parempaa ymmärrystä painovoimasta (Väitös: FM Jaakko Vainio, 21.4.2017, teoreettinen fysiikka)

​Turun yliopiston tiedote 12.4.2017

Tutkijat ovat ehdottaneet useita vaihtoehtoisia painovoima- eli gravitaatiomalleja täydentämään Einsteinin suhteellisuusteoriaa ja selittämään painovoiman syvempää luonnetta.

‒ Einsteinin suhteellisuusteoria jättää hieman toivomisen varaa, vaikka se onkin epäilemättä yksi historian suurimmista saavutuksista. Kuten sata vuotta sitten suhteellisuusteoria korvasi satoja vuosia vanhan Newtonin painovoimalain, kaipaamme nyt kattavampaa teoriaa – teoriaa, joka selittäisi maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen ja joukon muitakin ongelmia. Tällaista teoriaa, joka selittäisi painovoiman syvemmän luonteen, ei ole vielä keksitty, taustoittaa Jaakko Vainio teoreettisen fysiiikan alaan kuuluvan väitöskirjansa aihetta.

Vainio kehitti ja sovelsi väitöstutkimuksessaan uusia menetelmiä ongelman ratkaisemiseksi.

‒ Sekä havaintojen että matematiikan voimin voidaan tehokkaasti rajata mahdollisia teorioita. Mitä pienemmäksi pystymme rajaamaan mahdollisten teorioiden joukon, sitä paremmin pystymme tarkastelemaan, mitkä ominaisuudet ovat keskeisiä. Nämä ominaisuudet ovat sellaisia, jotka korvaavalla painovoimateorialla tulisi olla.

Einsteinin yhtälöitä tulee kehittää

Vainion mukaan Einsteinin teoria perustuu hyvin yksinkertaiseen yhtälöön, vaikutukseen, josta saadaan matemaattisesti johdettua liikeyhtälöt.

‒ Ne nimensä mukaisesti kertovat, miten asiat liikkuvat – jopa miten koko maailmankaikkeus laajenee. Väitöskirjassani keskityn erityisesti f(R)-teorioihin, joissa avaruuden kaarevuuden, R, osuus on monimutkaisempi kuin Einsteinin teoriassa.

Vainion väitöstutkimuksen mukaan monet mahdollisista f(R)-malleista eivät sovi havaintoihin.

‒ On kuitenkin mahdollista rakentaa malleja, jotka sopivat havaintoihin jopa paremmin kuin menestyksekäs suhteellisuusteoria. Jopa näissä näennäisesti toimivissa malleissa saattaa kuitenkin piillä ongelmia, jotka matemaattisessa käsittelyssä paljastuvat mahdottomiksi. Esimerkiksi epäkelvossa mallissa hiekanjyvän kokoinen häiriö saattaisi paisua Maapallon kokoiseksi sekunnin murto-osissa.

Viimeaikaisia havaintoja vastaan voidaan testata mallien toimivuutta

Matemaattisten menetelmien lisäksi Vainio kehitti väitöstutkimuksessaan menetelmiä, joilla uusien mallien rakentamiseen voidaan käyttää uudenlaisia taivaan havaintoja. Vainio kertoo, että pienehköjen tähtienvälisten kaasupilvien luhistumista ja viime vuonna havaittuja gravitaatioaaltoja pystytään nyt käyttämään painovoiman salojen selvitykseen.

‒ Menetelmiä, jotka esittelen väitöskirjassani, voidaan soveltaa kaikkiin mahdollisiin f(R)-teorioihin, ja näiden mielekkyyttä voidaan testata. Sitä mukaa kun havaintoaineistoa kertyy lisää, näillä menetelmillä päästään aina vain suurempana tarkkuuteen ja sitä myötä tiukempiin rajoituksiin kelvollisille malleille. Monia näistä menetelmistä voidaan soveltaa myös muihin yleistettyihin painovoimateorioihin kuin f(R)-teorioihin.

***

FM Jaakko Vainio esittää väitöskirjansa On methods for constraining f(R) theories of gravity julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 21.4.2017 klo 12 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku).

Vastaväittäjänä toimii professori Sergei Odintsov (Institut de Ciencies de l'Espai, Espanja) ja kustoksena professori Sabrina Maniscaldo (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen.

FM Jaakko Vainio on syntynyt vuonna 1983 ja kirjoittanut ylioppilaaksi Naantalin lukiossa 2001. Vainio suoritti korkeakoulututkintonsa (FM) Turun yliopistossa vuonna 2007. Väitöksen alana on teoreettinen fysiikka. Vainio työskentelee erikoistutkijana Turun yliopistossa.

Väittelijän yhteystiedot: p. 050 302 5321, jrjvai(at)utu.fi
 
Väittelijän kuva: https://apps.utu.fi/media/vaittelijat/vainio_jaakko.jpg

Väitöskirja on julkaistu sähköisenä: https://www.doria.fi/handle/10024/134253