Alkuräjähdysteorian perusteet, säieteoria, multiversumi. Onko "tyhjä" todella tyhjä?

Alkuräjähdysteoria eli Big Bang: maailmankaikkeuden laajeneminen ja kehitys, ei "räjähdys jossain"

"voidaan pitää ensimmäisenä varsinaisena fysikaalisena alkuräjähdysteoriana" - Enqvist: Kosmoksen hahmo, s. 47-49.

Lemaître mietti jopa alkuatominsa hajoamisesta syntyvän säteilyn havaitsemista, kuten sitten todellakin kosminen mikroaaltosäteily löydettiinkin vuonna 1965 (Penzias ja Wilson Bellin laboratorioissa). Kosminen mikroaaltosäteilytausta on empiirinen, todella havaittu todiste alkuräjähdyksestä ja sen keskeisiä kivijalkoja (kosmologia ei ole olettamuksien tehtailua vaan se on nykyään täsmätiedettä, jossa kiistellään vain desimaaleista kute professori Enqvist on todennut ja kosmologian avulla pystytään tekemään ennusteita).

Mutta jo vuonna 1922 oli venäläinen Aleksander Friedmann johtanut alkusingulariteetin sisältävän ratkaisun Einsteinin yhtälöistä, mutta Lemaîtresta poiketen Friedmann ei tarvinnut kosmologista vakiota. Kosmologinen vakio on tyhjiöenergian nimitys yleisessä suhteellisuusteoriassa.

Lemaître ei puhunut luomisesta, vaan uskonnon tehtävä on Lemaîtren mukaan puhua pelastuksesta ja ikuisesta elämästä eikä luonnosta. Lemaîtren mukaan teoria alkuatomista menee kaikenlaisten uskonnollisten ja metafyysisten spekulaatioiden ulkopuolelle ja se sallii - kuten Lemaître kirjoitti -

"materialistille vapauden kieltää minkä tahansa tuonpuoleisen olion....uskovaiselta se poistaa mahdollisuuden tehdä tuttavuutta Jumalan kanssa....se on sopusoinnussa Jesajan piilotetun Jumalan kanssa, joka on piilotettu jopa maailmankaikkeuden alussa" - Enqvist, emt. s. 49.

Stephen Hawkingin mukaan (Universe in a Nutshell):

"As ingularity is a place where the classical concepts of space and time break down as do all the known laws of physics because they are all formulated on a classical space-time background. ... [T]his breakdown is not merely a result of our ignorance of the correct theory but represents a fundamental limitation to our ability to predict the future [of the singularity], a limitation that is analogous but additional to the limitation imposed by the normal quantum-mechanical uncertainty principle."

Gamowin lähetettyä erään tiedekirjoitelmansa paavi Pius XII:lle vuonna 1951 paavi, joka oli kiinnostunut tähtitieteestä, havaitsi alkuräjähdysteorian keinoksi tukea katolista kristinuskoa (vuotta aiemmin Pius XII oli hyväksynyt biologisen evoluution). Paavi Pius XII:n mukaan tähtitiede ei ole ristiriidassa katolisen kirkon opin kanssa, vaan itse asiassa todistaa luojajumalan olemassaolosta. Näin ollen paavi Pius XII on Lemaîtren kanssa tasan vastakkaisella kannalla edustaen rationalismia, jonka mukaan Jumalan olemassaolo on tieteellisen todistelun ja rationaalisen harkinnan asia eikä niinkään omakohtaisen ilmoituksen.

Niinpä astronomi Fred Hoyle, joka oli uskonnon vastustaja, vastusti alkuräjähdysteoriaa nähden siinä ovelan yrityksen ujuttaa uskontoa tieteeseen. Hoyle piti alkuräjähdysteoriaa jopa eräänä uskonnollisen fundamentalismin muotona kannattaen pysyvän tilan teoriaa (universumi on ikuinen ja aina samanlainen). Kuitenkin 1950-luvulla havainnot osoittivat vakuuttavasti, että universumi ei ole kaikkialla samanlainen ja että siinä on todella tapahtunut kehitystä - lopullinen kuolinisku Hoylen pysyvän tilan teorialle olikin vuonna 1965 löydetty mikroaaltosäteilytausta.

Alkuräjähdysteorian todisteet - inflaatio on selitys viiteen suureen kysymykseen

1. maailmankaikkeuden mikroaaltotaustasäteily, joka löydettiin vuonna 1965. Se sisältää viestin siitä, että universumi oli alussa erittäin kuuma ja tiheä. Mikroaaltotaustasäteily ympäröi meitä joka suunnalta kuin "pallonkuori" tai "kalvo taivaalla" estäen seinän tavoin näkemästä sen taakse. Mikroaaltotaustasäteilyn avulla on saatu selville maailmankaikkeuden ikä sekä koostumus, koska ensimmäiset tähdet syntyivät, selitys galaksien synnylle sekä vieläpä vastaus kysymykseen ajan suunnasta (joka kulkee kohti kaaosta).

2. spektriviivojen järjestelmällinen punertuminen, mikä todistaa avaruuden laajentumisesta sekä galaksien etäisyyksistä (punasiirtymä). Tämäkin päätodiste perustuu empiirisiin havaintoihin.

3. maailmankaikkeuden keveiden alkuaineiden pitoisuudet - tätä ei voi havaita suoraan, vaan se on päätelty johdonmukaisesti ja sen kautta pääsemme yhden sekunnin päähän universumin alkuhetkestä. Alkuaineiden synnyn tarkkailu on mahdotonta, sillä ne saivat alkunsa kauan ennen alkuplasman tulemista läpinäkyväksi, joten heliumin synnyn alkuhetket ovat taivaanpallon mikroaaltotaustasäteilyn "kalvon" takana. Alkuaineiden pitoisuudet voidaan silti mitata ja sen kautta arvioida alkuaineiden pitoisuudet maailmankaikkeuden alkuvaiheessa.

Uudet säteilymittaukset ovat antaneet empiiristä tukea aluksi kiistellylle inflaatio-teorialle, jonka Alan Guth esitteli jo vuonna 1980. Inflaatio-teoria, joka on nyt siis saanut vahvistuksen mittauksien avulla, ratkaisee monia kosmologisia ongelmia, sekä poistaa hienoviritysongelman, josta oli tullut kosmologeille päänvaivaa. Nimittäin maailmankaikkeuden kriittistä tiheyttä ( = se ainemäärä, jonka vaikutus avaruuden geometrian käyristämiseen on tarkalleen satula- ja pallopinnan välissä) ja ainetiheyttä kuvaava suhde on nimeltään Omega (sen arvo määrää senkin, onko maailmankaikkeus suljettu vai avoin, jos Omega on tasan yksi niin avaruuden geometria on tasainen). Tämän Omegan arvon tarkkuus on siksi äärimmäisen tarkka asia, sillä maailmankaikkeus olisi romahtanut kasaan, jos sen arvo olisi ollut 5% suurempi kuin yksi ja jos Omega olisi ollut 5% pienempi kuin yksi ei galakseja ja tähtiä olisi syntynyt eikä planeettojakaan, koska ainemäärä olisi jäänyt liian vähäiseksi. Ongelma on siis ollut, että miksi Omega on niin lähellä ykköstä - onko jokin korkeampi voima säätänyt Omegan arvon, jotta me olisimme sitä ihmettelemässä? Ei - inflaation avulla tämäkin ongelma ratkesi: ovatpa alkuolosuhteet olleet melkein millaisia tahansa niin Omegan arvo asettuu erittäin lähellä ykköstä dynaamisesti, luonnollisen fysikaalisen prosessin tuloksena ilman että jonkin "kosmisen suunnittelijan" tarvitsee sitä asettaa.

Omegan arvo oli ennustettu inflaatio-mallissa olevan yksi ja Boomerangin havainnot vuonna 2000 todistivat riidattomasti, että Omega on todellakin yksi ja avaruuden geometria on tasainen. Boomerang sai selville mittauksillaan, että ensimmäinen akustisen piikin paikan ja se paikka ilmaisee Omegan arvon (universumin massaenergian määrän) ja Omega taasen on kiinni avaruuden geometriassa (avaruuden geometria eli avaruuden käyristyminen pallo- tai satulapinnaksi tai tasaiseksi määrää tavan, miten fotonit kulkevat). Näin saatiin yksi todiste inflaatio-mallille (inflaatiota pidetään oikeastaan mallina eikä niinkään teoriana tarkemmin sanoen). Tuleepa mahdollinen lopullinen teoria maailmankaikkeudesta olemaan mikä tahansa niin empiiristen mittauksien selvien tuloksien tähden sen teorian pitää antaa samankaltaisia ennusteita. Kosmologisen vakion arvoa ei ole vielä voitu selittää, siinä on samantyyppinen hienoviritysongelma - kuten Omegan tapaus osoittaa, senkään selitys (jonka puuttuminen kuvastaa vain tietämättömyyttä eikä merkitse sinällään mitään metafyysisten oletusten tarvetta) ei tarvitse olla luonnollista mekanismia kummempi (kunhan se vain löydetään). Voi olla, että pimeä energia vaikuttaa niin, että energiatiheys voi saada vain tietyn arvon (Enqvist, emt. s. 176-177).

Perimmältään maailmankaikkeuden makrorakenteen (galaksit, tähdet, planeetat, elämä) määrää mikrorakenne eli hiukkasfysiikka: alkeishiukkaset. Kun me katselemme avaruutta katselemme itse asiassa alkeishiukkasten sisään samalla sekä aineen (joka on energiaa) perimmäiseen luonteeseen, emmekä vain tähtiin - ne ovat alkeishiukkasten lapsia. Itse asiassa hiukkasfysiikkaa määrittää koko maailmankaikkeuden olemuksen kokeellisten tuloksien perusteella, joita viime vuosina on saatu. Suurin ei ole tärkeintä eikä edes kauneinta, vaan kaikkein pienin määrää suurimman olemuksen. Kvanttiheilahteluja tapahtuu ympärillämme edelleen ja pienet kvanttiheilahtelut olivat alkuna niille pienille ainejakauman epätasaisuuksille, joista galaksit alkoivat muodostua.

Inflaatio-mallin todisteet

Toinen todiste inflaatiosta ovat maailmankaikkeuden sormenjäljet: mikroaaltotaustassa näkyy lämpötilaltaan erilaisia, kuumempia ja kylmempiä, alueita. Materia oli levittäytynyt avaruuteen siten, että siinä oli riittävän paljon vaihtelua, mikä mahdollisti galaksien kehityksen. Epätodennäköistä on, että kaikki aine olisi levittäytynyt tasaisesti ilman massakeskittymiä, sillä gravitaatio eli painovoima vetää ainetta puoleensa. Inflaatio teki maailmankaikkeudesta hyvin järjestyneen, ja aika on sitten alkanut kulkea kohti epäjärjestystä.

Inflaatio-malli ratkaisi seuraavat viisi suurta kysymystä:
1. maailmankaikkeuden ikä (13,6-13,8 miljardia vuotta)
2. miksi ajalla on suunta (inflaatio käynnisti kellon, joka tikittää kohti epäjärjestystä)
3. maailmankaikkeuden ainekoostumus (4% näkyvää baryonista - kvarkkeja ja niistä koostuvia yhdisteitä - ainetta, 71% pimeää energiaa ja loput pimeää ainetta eli 25%, joka koostunee tuntemattomista alkeishiukkasista. Tämä ainejakauma on pystytty vahvistamaan useilla mittauksilla)
4. miksi galaksit syntyivät (oli tarpeeksi vaihtelua maailmankaikkeuden ainejakaumassa, jotta gravitaation avulla galaksien kehittyminen pääsi käyntiin)
5. miksi maailmankaikkeus laajenee (pimeä energia laajentaa avaruutta kiihtyvällä nopeudella).

Pimeän aineen olemassaolo on varmistunut havainnoilla

Tyhjiö ei ole tyhjää täynnä, vaan tyhjiöenergiaa ja hiukkasia!

Pimeä energia tekee maailmallemme pimeän kohtalon - tieteellisiä skenaarioita kosmoksen tulevaisuudesta

Se, että maailmankaikkeuden laajeneminen oli ennen hitaampaa kuin nyt saatiin selville empiirisesti supernova-havaintojen avulla: kaukana olevat supernovat havaittiin himmeämmiksi eli niiden punasiirtymät olivat odotettua pienempiä. Näin ollen maailmankaikkeus laajeni ennen hitaammin ja nykyään nopeammin - eikä ainoastaan laajene nopeasti, vaan jopa kiihtyvällä nopeudella. Pimeä energia - eli kosmologinen vakio - lopulta tulee oikeastaan hävittämään maailmankaikkeuden: niin kuin syksyinen tuuli puhaltaa pihalta puiden lehdet tiehensä erilleen toisistaan niin pimeä energia laajentaessaan kiihtyvästi universumia tulee työntämään pois, loitontamaan, kaiken meidän havaintohorisontistamme. Jäämme yksin tyhjyyden ja autiuden keskelle, mikä on tyly ja kolkko loppu. Pimeän energian hallitsemalla maailmankaikkeudella ei selvästikään voi olla mitään meille hyvää ja suopeaa tarkoitusta - on vaikea käsittää, miten se voisi osoittaa "Jumalan rakastavan ihmisiä" (tai ylipäätään ketään). Sitä paitsi pimeän energian suhteellinen osuus lisääntyy ajan myötä jatkuvasti - tämä on tulos mallissa, jossa kosmologinen vakio vastaa pimeästä energiasta, sama tulos on saatu useilla muillakin pimeän energian (= kvintessenssi) malleilla, ainoana erilaisen tuloksen antavana mallina on aineen massaenergian tiheyttä noudattava pimeä energia. Koska siis on varsin todennäköistä, että yhtä lukuun ottamatta kaikkien mallien mukaisesti pimeän energian määrä lisääntyy siitä lähtien kun se 7 miljardia vuotta sitten voitti pimeän aineen vaikutuksen niin siitä seuraa Willam de Sitterin kuvailema eksponentiaalisen nopeasti laajentuva universumi (avaruus laajentuu silloin kaksinkertaisesti saman ajan kuluessa, eikä valon nopeuskaan riitä enää pysymään laajenemisessa mukana). 

Avaruus siis etääntyy valon edestä alati nopeammin kuin valo ennättää seurata perässä. Emme tule siten näkemään uusia galakseja tulevaisuudessa, vaan kaikki nykyäänkin näkyvät galaksit katoavat pois tuosta de Sitter -avaruuden horisontista (eli tapahtumahorisontista mustien aukkojen tapahtumahorisontin kaltaisesti), joka säilyy vakioetäisyydellä. Meidän näkemämme avaruuden koko ei lisäänny näin ollen tulevaisuudessa. Mitä kauemmas ajassa eteenpäin mennään sitä pienemmäksi havaitsemamme avaruus käy - noin 150 miljardin vuoden kuluttua avaruus on meille Neitsyen galaksijoukon kokoinen eikä sen ulkopuolelta näy meille mitään valoa. Maailmankaikkeus tulee silloin olemaan meille vain muutamien miljoonien valovuosien kokoinen - kaikki muu on puskettu pois meidän ulottumattomiin. Lopulta kaikki naapurigalaksimmekin on pimeän energian voimalla työnnetty pois näkyviltämme eikä ole enää mitään - vain musta tyhjä horisontti. Pimeä energia repii hajalle lopulta kaiken, niin galaksit kuin itse atomitkin eli atomien osasetkaan eivät pysy yhdessä enää. Kaikki, planeetat ja tähdetkin, repeytyisivät hajalle myös. Sadan miljardin vuoden päästä tätä tilannetta voi seurata tämänhetkisen tiedon mukaisesti - joskin ihmiskunta on siihen mennessä todennäköisesti jo kadonnut avaruuden myllerryksissä ajat sitten. Itse asiassa fysiikan meille näyttämä maailmankaikkeus on pahin ja kamalin maailma, mitä voisi kuvitella (ensimmäiset sadat miljoonat vuodet se oli elämälle vihamielinen - ensin jääkylmä ja aineeton, sitten äärimmäisen kuuma kunnes alkoi hitaasti jäähtyä ja loppu tulee olemaan surkea ja tuhoisa).

Mutta koska pimeän energian salaisuutta ja ominaisuuksia ei ole vielä selvitetty (CERN:in hiukkaskiihdyttimellä tutkitaan vuonna 2007 pimeää energiaa törmäyskokeilla) voi olla, että pimeä energia muuttuu ja se puolestaan todennäköisesti vaikuttaa - ehkä ratkaisevasti - maailmankaikkeuden tulevaisuuteen, joten yllä esitetty kaiken hajalle repimisen ja tyhjyyden keskelle jäämisen malli ei ole välttämättä lopullinen vastaus, vaan toisiakin vaihtoehtoja voi olla. Eräs vaihtoehto on, että jos pimeä energia muuttuu se voikin käynnistää peruutusvaihteen maailmankaikkeudelle ja saada universumin palaamaan takaisin yhteen kasaan. Uudet, vuonna 2004 tehdyt supernovahavainnot ovat kuitenkin antaneet tukea sille, että pimeän aineen vaikutus ei muutu ajan kuluessa, eli pimeä energia ei laajentaisi tulevaisuudessa eksponentiaalisen kiihtyvästi avaruutta repien sen kappaleiksi. Todisteita ei ole saatu tähän mennessä myöskään pimeän energian katoamiselle kokonaan (sellainen tilanne johtaisi maailmankaikkeuden kokoon luhistumiseen, mutta jos niin kuitenkin kävisi niin sitä pitäisi odottaa ainakin 30 miljardia vuotta niin että universumillamme on aikaa vielä ainakin ne 30 miljardia vuotta). Pimeän energian vaikutukset ovat kyllä havaittavissa, mutta itse pimeää energiaa ei voida havaita (pimeä energia on itse asiassa nimitys Albert Einsteinin kenttäyhtälöiden avaruuden kiihtyvän laajentumisen aiheuttavalle termille).

Einstein-de Sitter -avaruudessa laajeneminen kestäisi ikuisesti, tilavuus olisi ääretön, tiheys yhtä kuin kriittinen tiheys ja geometria eukleidista tasogeometriaa. Tällä hetkellä havainnot ja laskelmat viittaavat siis siihen, että maailmankaikkeus laajenee ja että se laajeneminen nopeutui 6 miljardia vuotta sitten, kun pimeä energia otti ohjat käsiinsä pimeältä energialta maailmankaikkeudessa (näkyvä ainehan on aina ollut sivustakatsojan osassa). Laajeneminen voi kestää loputtomiin ja universumimme lopullinen kohtalo on riippuvainen pimeästä energiasta: vaihtoehtoina on de Sitter -universumin mukainen maailmankaikkeuden tuhoutuminen ja kaiken kappaleiksi hajoaminen. Universumin laajenemisen kääntyminen peruuttamiseksi ja kokoon romahtamiseksi - aikaisintaan 30 miljardin vuoden jälkeen - ei näillä näkymin ole todennäköistä. Luonnollisesti universumin kokoon luhistuminenkaan, mille ei ole löytynyt havaintotukea, ei ole meidän ihmisten kannalta mikään hyvä ja onnellinen tulevaisuus. Syklinen universumi eli maailmankaikkeus, joka vuoron perään syntyy ja laajenee ja sitten taas supistuu kasaan ja taas syntyy kuin feenikslintu tuhkasta uudeksi universumiksi on hylätty kosmologiassa virheellisenä teoriana.

Jos maailmankaikkeus on avoin on siitä seurauksena sellainen tulevaisuus, jossa 1) tähdet sammuvat, 2) galaksien hajottua massa keskittyy mustiin aukkoihin 3) galaksien laajuisiksi levinneet mustat aukot höyrystyvät 4) mustat kääpiöt tunneloituvat ensin neutronitähdiksi ja lopulta mustiksi aukoiksi kunnes ne tuhoutuvat höyrystymällä. Ei tämäkään maailmankaikkeuden tulevaisuus viittaa hyväntahtoiseen ja elämää rakastavaan luojaan.

Kosmologiassa katsotaan yleensä maailmankaikkeuden olevan avoin. On hyvä huomioida, että onpa maailmankaikkeus suljettu tai avoin, ei sillä ole ulkopuolta (Tähdet ja avaruus 3/2007 s.61).

Ääri-ilmiöissä Einsteinin yleinen suhteellisuusteoriakin lakkaa olemasta voimasta ja kausaliteetti katoaa

Planckin pituus ja aika ovat ei vain fysiikan kannalta, vaan myös metafyysisten seuraamuksiensa kannalta hyvin kiintoisia - aika ja avaruus muuttuvat sumeiksi, epämääräisiksi Planckin skaaloissa ja myös kausaliteetti eli syy-seuraus -suhde menee rikki ehdottomasti, eikä voida enää sanoa selkeästi, mikä oli ennen ja mikä jälkeen. Aika ei enää kuvaile universumia sen mikroskooppisimmissa kokoluokissa ja sitä paitsi aikaa ei edes ollut ennen alkusingulariteettia, joten on järjetöntä kysyä, "mitä oli ennen alkuräjähdystä". Yhtä fiksua olisi kysyä vaikka etelänavalla, että mitä on vieläkin etelämpänä - vastaushan olisi että ei mitään, etelämmäksi et pääse. Nämä tosiasiat vievät maton alta "alkusyy"-oletuksilta sen perusteita myöten, mitä Tuomas Akvinolaisen päivistä lähtien on käytetty todistelemaan luojajumalan välttämättömyyttä. Säieteorioiden, joita pidetään hyvinä ehdokkaina kaiken teoriaksi, mukaan energian lisäys ei tuo lisäystä aikaresoluutioon eli Heisenbergin epätarkkuusperiaatekin muuttuu. Planckin ajan jälkeen alkaakin epätarkkuus kasvaa energiaan verrannollisesti. Planckin aikaa pidettäisiin tässä mallissa pienimpänä ajanhetkenä, mitä voi olla olemassa eikä maailmankaikkeudella edes olisi mitään nollahetkeä, jolloin universumi täsmällisesti syntyi. Näin ollen alkusingulariteetillakin on oma epämääräisyys aika-avaruudessa, ikään kuin se olisi jotain suttuista epämääräistä kvanttitodellisuuden "möhnää". Deterministinen kausaliteetti, syy-yhteys, on tullut kvanttifysiikan ulos heittämäksi, kuten sen tukipönkkänä ollut ajan käsite, sillä mitään absoluuttista kaikille yhteistä ja samalla nopeudella etenevää aikaa ei ole.

Joka tapauksessa, olkoon säieteorioiden kohtalo lopulta mikä tahansa, niin Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaisessa alkusingulariteetissa ei sitä ennen ole mitään aikaa, mistä seuraa että maailmankaikkeudella ei ole ajallista syytäkään. Koska alkusingulariteetti ei sijainnut missään, ei myöskään mikään aineellinen voi olla sen syy. Kuten edempänä totesin, ei ole mitään olemattomuutta ja vailla mitään olevaa tyhjiötä kvanttimaailmassa, vaan sieltä voi satunnaisesti - ja satunnaisuus on aitoa eikä johdu tiedon puutteesta syitä kohtaan - pulpahtaa esiin jotain: hiukkasia ja vaikka alkusingulariteetti. Maailmankaikkeus vaikuttaa siten olevan itse itsensä syy tai mitään erityistä syytä sille ei ole eikä tarvita, tai emme saa sitä koskaan tietää varmuudella. Vielä alkuräjähdystä, alkusingulariteetin "tulemista" ei osata selittää - tiedon puute tai selittämisen vaikeus ei ole kuitenkaan todiste sille, että mikä tahansa yliluonnollinen entiteetti olisi oikea tai edes välttämätön selitys.

Kulta-atomien törmäyskokeissa RHIC-hiukkaskiihdyttimellä syntyy alkuräjähdyksen olosuhteet

 "keitos kvarkeiksi ja gluoneiksi nimettyjä hiukkasia ryntäili edestakaisin, törmäillen joka puolella sattumanvaraisesti toisiinsa. Hyppysellinen elektroneita, fotoneita ja muita keveitä hiukkasia maustoivat keitoksen. Seos oli biljoonia asteita, yli satatuhatta kertaa Auringon ydintä kuumempi" - Tähdet ja Avaruus 4/2006 s.32 (URSA).

Protonit ja neutronit muun muassa rakentuvat alkeisosista, joita kutsutaan kvarkeiksi (kvarkkeja ja niistä koostuvia protoneita ja neutroneja kutsutaan siis baryoneiksi). Hiukkaset, jotka liimaavat kvarkit toisiinsa vahvalla ydinvoimalla, joka on yksi luonnon neljästä perusvoimasta ovat gluoneita. Kun universumi laajeni sen lämpötila alkoi alentua, mistä seurasi alkuplasmassa (atomit ovat pirstoutuneita osiinsa tässä erittäin kuumassa plasmassa) törmäilevien kvarkkien ja gluonien hidastuminen. Aikaa meni vain sekunnin miljoonasosa kun noiden poukkoilevien hiukkasten vapauden aika loppui ja ne rakentuivat protoneiksi ja neutroneiksi (=  kolmesta kvarkista rakentuva sähköisesti neutraali versio protonista. Neutronin hajotessa syntyy heikosti vuorovaikuttavia sähköisesti neutraaleja neutriinoja, jotka ovat erittäin pienimassaisia). Vahva ydinvoima on siitä lähtien pitänyt kvarkit aisoissa kun aineen olotila muuttui mullistavasti. Meidän kehomme ja kaikki mitä näemme rakentuvat protoneista ja neutroneista, jotka koostuvat niistä samoista n. 13,7 miljardia vuotta sitten syntyneistä kvarkeista (massattomat kvarkkeja toisiinsa liimaavat gluonit eivät ole alkuräjähdyksessä syntyneitä, sillä ne ovat lyhytikäisiä ja gluoneita syntyy jatkuvasti sekä tuhoutuu protonien ja neutronien sisällä).

Juuri noiden ensimmäisten sekunnin miljoonasosien tapahtumien ymmärtäminen on kiinnostavaa, sillä silloin ne käyttäytyivät viimeksi vapaasti ja se miten ne muuttuivat protoneiksi ja neutroneiksi on oleellista koko maailmankaikkeuden rakenteen ymmärtämisen kannalta - jo tuossa vaiheessa laitettiin itämään galaksien ja tähtien siemenet noissa pienissä hiukkasissa. Tutkimuksissa on ilmennyt, että maailmankaikkeus muistutti nestettä eräässä tietyssä mikroskooppisen lyhyessä vaiheessa (yhdestä kymmeneen mikrosekuntia vanhassa maailmankaikkeudessa) ja aivan lähellä alkuräjähdyksen sumeaa hetkeä kvarkkien vuorovaikutukset olivat heikkoja. Se merkitsee, että maailmankaikkeuden sisältö oli kuumaa kaasua muistuttavaa, eikä nestemäistä (nestemäisyys on muutenkin vielä tässä vaiheessa alustava arvaus, eikä lopullinen vastaus). RHIC-hiukkaskiihdytinkokeilla ei tehdä uusia universumeita eikä pikkumaailmankaikkeuksia, vaan ainoastaan saadaan tehtyä silmänräpäyksellinen näyte tiheydeltään ja lämpötilaltaan maailmankaikkeuden alkuhetken olosuhteita muistuttavasta aineesta. RHIC-hiukkaskiihdytin jäljittelee siis vain hetkellisesti sekunnin murto-osan ikäisen maailmankaikkeuden kvarkki-gluonikaasua sekä toisia alkeishiukkasia. Eurooppaan valmistuva CERN:in valtaisa Large Hadron Collider-hiukkaskiihdytin pystyy antamaan tietoa muutaman vuoden kuluttua vieläkin nuoremmasta maailmankaikkeudesta kuin amerikkalainen RHIC. Näin tietämyksemme alkuräjähdyksestä tarkentuu kokeellisesti entisestään. Sekin varmistuu käyttäytyikö universumi kuin neste tietyllä mikroskooppisella aikavälillä. Kysymys viidennestä ulottuvuudesta voi silloin ratketa ja nähtäväksi jää saavatko säieteoriat kokeellista tukea myös.

Multiversumi, säieteoria, alkuselityksen tarpeettomuus

"vankkaan matematiikkaan, se on matemaattinen teoria, joka selittää myös hiukkaset ja gravitaation" (TIEDE 3/2007, s.24-26).

Säieteorian osalta kyseessä ei siten ole mielivaltainen arvaileminen; havaintojen saaminen säieteorian ja multiversumin tueksi on sen sijaan hankaluutena. Jos havainnoista ilmenee, että avaruus kaareutuu väärään suuntaan, on se isku vastoin maailmankaikkeuden ikuisen laajenemisen oletusta. Süsskindin mukaan monet fyysikot ovat hylkäämässä reduktionismin (toisin sanoen sen toiveen, että jokin yksinkertainen alkuselitys löytyisi kaiken pohjalta), koska sellaista alkuselitystä ei tarvita enää. Sitä ei tarvita sen tähden, että maailmankaikkeus ei ole samanlainen joka puolella, eikä meidän olemassaolommekaan täällä ole enää niin iso ihmettelyn aihe (TIEDE 3/2007, s.24-26). Multiversumi-hypoteesi on yhteensopiva säieteorian kanssa (eli se mahdollisuus, että universumeita on useita ja meidän universumimme on vain yksi monista, kuin iso "kupla saippuvaahdossa"). Multiversumi-mallissa ominaisuuksiltaan ja luonnonlaeiltaan erilaiset maailmankaikkeudet ovat mahdollisia; kaikkien universumien ei tarvitse olla samanlaisia kuin tämä, jossa me elämme (kosmologi Andrei Linde).

Mutta uusien ulottuvuuksien empiirinen tutkimus voi kuitenkin olla mahdollista jo lähivuosina. Uusien tutkimuksien mukaan ensi vuonna avaruuteen lähetettävä ESA:n Planck-satelliitti voi mittauksillaan rekisteröidä toisia ulottuvuuksia. Tällä tavalla säieteoriaa voidaan testata käytännössä - ja muitakin suuria yhtenäisteorioita. Säieteorian mukaiset kuusi lisäulottuvuutta ovat käpertyneet näkymättömiksi, joten niitä ei ole voitu havaita. Mutta Gary Shiun ja Bret Underwoodin (Wisconsin-Madison-yliopisto) laskelmien mukaan maailmankaikkeuden alussa ylimääräiset ulottuvuudet ovat vaikuttaneet olosuhteisiin. Noilla kuudella ulottuvuudella oli heti alkuräjähdyksen jälkeen vaikutusta universumiin, joka oli siinä vaiheessa pikkuinen energiakeskittymä. Planck-satelliitti mahdollistaa katsomisen noihin maailmankaikkeuden ensihetkiin kuin aikakoneella, sillä kosmisessa taustasäteilyssä vauvavaiheen maailmankaikkeuden olosuhteet ovat näkyvillä. Aikaisemmin ei kosmisesta taustasäteilystä ole saatu tarpeeksi tarkkoja havaintoja, mitkä olisivat mahdollistaneet ylimääräisten ulottuvuuksien löytämisen (meille tutut ulottuvuudet ovat kolme paikkaulottuvuutta ja neljäntenä aikaulottuvuus). Planck-satelliitin tarkkuuden pitäisi olla riittävä ulottuvuuksien havaitsemiseen, joten lähivuosina saataneen tietoa siitä, onko säieteoria oikean suuntainen.

"Perinteinen alkuräjähdysteoria ei kerro, mistä on peräisin alkuräjähdykseen tarvittu valtava energia ja sen kääntöpuoli, koko maailmankaikkeuden aine. Inflaatioteoreetikot ovat laskeneet, että universumi saattoi syntyä vähemmästä kuin yhdestä milligrammasta ainetta, kenties jopa ei mistään" - TIEDE 3/2007, s.24 (lihavointi minulta).

Maailmankaikkeus on siten - kyseisten laskelmien mukaan - syntynyt miltei ei mistään, erittäin vähästä, lähes olemattomasta kuitenkin.

Lisätietoa multiversumista ja antrooppisesta periaatteesta:
Multiversumi, antrooppinen periaate ja maailmankaikkeuden hienovirityksen ongelma

Kirjallisia lähteitä:

John Gribbin: Syvä yksinkertaisuus, Kaaos, kompleksisuus ja elämän synty. URSA 2005
Tieteen Kuvalehti 8/2006 s.24-29 inflaatio-teorian varmistumisesta
Kari Enqvist: Kosmoksen hahmo. WSOY, 2003
Lawrence Krauss: Kvintessenssi - puuttuvan massan arvoitus - . Art House, 2003
Paul Davies, Viides ihme. Terra Cognita, 1999
Tähdet ja avaruus 4/2006 s. 32-35
TIEDE 7/2006 s. 4 Pimeää ainetta löydettiin avaruudesta
Jukka Maalampi: Maailmanviiva: Albert Einstein ja moderni fysiikka, 2006 (URSA)
TIEDE 3/2007, s.24-26.
Tähdet ja avaruus 2/2007 s. 16 "Muut ulottuvuudet näkyviin"
Tähdet ja avaruus 3/2007 s. 61 "Pimeä energia"

Online-lähteitä ja lisätietoa:

Kosminen inflaatio
Maailmankaikkeus, URSA:n kurssi 12.3.2005 (PDF-tiedosto)

Ylös