inflaatio

Millainen maailmankaikkeus olisi ilman Stephen Hawkingia? Vähitellen joudumme tottumaan ajatukseen, sillä tieteen megajulkkis on poissa. Suru-uutinen levisi maailmaan keskiviikkoaamuna.

Liekö kosmista huumorintajua, että Stephen Hawking oli syntynyt tasan 300 vuotta sen jälkeen kun Galileo Galilei kuoli, ja hän kuoli päivälleen 139 vuotta sen jälkeen kun Albert Einstein syntyi.

Maailmankaikkeus ei ole Hawkingin poismenosta moksiskaan, mutta meidän tietämyksemme maailmankaikkeudesta olisi valtaisasti nykyistä vajavaisempi, ellei Hawking olisi pohtinut sitä kymmeniä vuosia parantumattoman sairauden runtelemaan kehoon kahlitussa mielessään.

Hawkingilla todettiin liikehermoja rappeuttava amyotrofinen lateraaliskleroosi eli ALS-tauti hänen ollessaan 21-vuotias. Elinaikaa hänelle luvattiin korkeintaan kaksi vuotta.

Yli viisikymmentä vuotta jatkuneella laina-ajalla Hawking selvitti useita kosmoksen arvoituksia, mutta keksi myös uusia ominaisuuksia ja omituisuuksia, joita kukaan muu ei ollut tullut ajatelleeksikaan.

"Mustat aukot eivät säteile."

Näin uskottiin, kunnes Hawking meni mullistamaan käsitykset laskemalla, että ne voivat säteillä itsensä olemattomiin virtuaalihiukkasten karanneina osapuolina. Tätä "Hawkingin säteilyä" on vain äärimmäisen vaikea havaita ja siksi Nobel jäi Hawkingilta saamatta. Hyvistäkään teorioista palkintoa ei jaeta.

Kirjaimellisesti tähtitieteellisen suuret luvut, liki-ikuisuudet ja käsittämättömät kvantti-ilmiöt eivät Hawkingia pelottaneet. Välillä tuntui, että hän ilkikurisuuttaan valikoi tutkimusaiheensa sen mukaan, kuinka paljon hänen kollegansa joutuisivat vaivaamaan päätään päästäkseen kärryille, mistä kulloinkin on kyse.

Omien ja läheistensä sanojen mukaan Hawkingilla oli poikkeuksellinen kyky ”nähdä” tarvittavat mielettömän mutkikkaat laskelmat mielessään. Yhtälöiden piirustelu paperille tai liitutaululle oli mahdotonta, edes kirjojen tai lehtien sivujen kääntely ei sairauden edetessä onnistunut.

Kaikki oli tehtävä päässä.

Kaukaisella 80-luvulla joku kirjaili Kaivopuiston tähtitornin havaintopäiväkirjaan syvällisen mietelmän: "Maailmankaikkeus on oma pää." Hawking tiesi henkilökohtaisesti, mitä se tarkoittaa.

Itselläni on ollut ilo ja kunnia suomentaa useita Hawkingin teoksia. Tutkija ei koskaan uskotellut kirjoittavansa jonkin ylevän kansanvalistuksellisen aatteen innoittamana – vaikka ei tietenkään pitänyt ollenkaan huonona asiana, että ihmiset oppisivat uusia asioita kiehtovasta maailmankaikkeudesta.

Hawking myönsi auliisti kirjoittaneensa kirjansa milloin rahoittaakseen lastensa opintoja, milloin päivittääkseen elämisensä kannalta oleellisia apuvälineitä. Otsikon totuuden hän sai kuulla Ajan lyhyen historian kustantajalta.

Kirjaan päätyi yksi kaava ja sitä on silti myyty yli 10 000 000 kappaletta. Teosta voikin luonnehtia alan myydyimmäksi, mutta vähiten luetuksi tietokirjaksi, sillä se ei ole mikään suupala, ellei lukijalla ole vähintään perustietoja fysiikasta ja tähtitieteestä.

Aikaa myöten Hawkingin kirjat ohenivat ohenemistaan, mikä ei ole ihme. Kun jokaisen sanan jokaisen kirjaimen joutuu valitsemaan tietokoneen näytöltä poskilihasta liikauttamalla, vuolassanaisuus karsiutuu nopeasti.

Sama päti tietysti kanssakäymiseen muiden ihmisten kanssa. Jos sai sovittua tapaamisen Hawkingin kanssa, perusneuvo oli, ettei kannata lörpötellä joutavia. Toisinaan vieras saattoi unohtaa perustellun ohjeen ja kysäistä "mitä kuuluu?". Sen jälkeen joutui seuraamaan nolona ja naama punoittaen, kuinka Hawking ponnisteli vastatakseen "Kiitos hyvää, entä itsellenne?"

Hawking tunnettiin ja tunnistettiin kaikkialla maailmassa. Itseironisesti hän totesi yhdeksi syyksi sen, että hänen on mahdoton naamioitua. Sähköpyörätuolillaan hän huristeli hurjaa vauhtia – kollegoidensa kauhuksi – niin San Franciscon jyrkillä kaduilla kuin liian lähelle tunkevien varpaillakin.

Yhtenä Hawkingin harrastuksena oli vedonlyönti, mutta vain kollegoidensa kanssa ja tieteellisistä asioista. Yleensä hän asetti panoksensa sellaisen väitteen puolesta, jonka tiesi vääräksi. Häviö ei tuntunut niin pahalta, jos oli kuitenkin oikeassa.

Stephen Hawkingin viimeisessä tieteellisessä artikkelissa – tai ainakin se on tuorein hänen nettisivuillaan olevassa listauksessa – hän pohtii Thomas Hertogin kanssa ikuista inflaatiota. Johdanto päättyy toteamukseen, että "ikuisen inflaation hylkääminen ei tuota ääretöntä fraktaalimaista multiversumia, vaan äärellisen ja suhteellisen laakean maailmankaikkeuden".

Ajatus on lohdullinen.

Tagit

Kosmologian standardimallin mukaan alkuräjähdystä seurasi inflaatio, maailmankaikkeuden äkillinen ja hyvin nopea laajeneminen. Sen seurauksena kosmoksesta kehittyi sellainen kuin havaitsemme sen olevan. Paitsi että…

Ongelmana on pimeä aine, joka muodostaa neljänneksen koko maailmankaikkeudesta. Pimeää energiaa on noin 70 prosenttia, tavallista näkyvää ainetta vain muutama prosentti.

"Yleisesti ottaen luonnon perusteoria selittää tietyt ilmiöt, mutta se ei välttämättä anna oikeaa pimeän aineen määrää", selittää Hooman Davoudiasl, jonka johtama Brookhavenin laboratorion tutkijaryhmä on kehittänyt uuden version inflaatioteoriasta.

"Jos tuloksena on liian vähäinen määrä pimeää ainetta, voi esittää toista lähdettä, mutta on ongelmallista, jos sitä on liikaa."

Jotkut teoriat selittävät hyvin useita fysiikan omituisuuksia, mutta ne eivät voi olla ihan kohdallaan, koska niiden ennustama pimeän aineen määrä on suurempi kuin sen tiedetään todellisuudessa olevan.

Uusi teoria ratkaisisi ongelman. Standardimallin mukaan inflaatio eli maailmankaikkeuden eksponentiaalinen laajeneminen alkoi ainoastaan 10^-35 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen. Hetken kestäneen humauksen jäljiltä maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi nykyiselleen. Sekuntien tai korkeintaan minuuttien ikäisessä kosmoksessa alkoi muodostua keveimpiä alkuaineita.

Davoudiaslin ryhmän kehittämän teorian mukaan inflaation päättymisen ja alkuaineiden synnyn välillä saattoi olla muitakin inflatorisia ajanjaksoja.

"Ne eivät olisi olleet yhtä merkittäviä tai voimakkaita kuin ensimmäinen, mutta ne voisivat selittää pimeän aineen määrän", arvelee Davoudiasl.

Kun hyvin pienikokoisen maailmankaikkeuden lämpötila oli miljardeja asteita, pimeän aineen hiukkasia törmäili toisiinsa ja tuhoutui annihilaatiossa. Kun laajeneminen jatkui ja lämpötila laski, törmäysten määrä väheni ja pimeän aineen määrä asettui lopulliselle tasolle.

Ongelmana on se, että alkuvaiheen annihilaatio ei tuhonnut riittävästi pimeää ainetta. Ratkaisu olisi toinen inflaation aikakausi – tai ehkä silmänräpäyksellistä hetkeä ei oikein voi kutsua "aikakaudeksi" – joka kasvatti maailmankaikkeuden tilavuutta ja pienensi pimeän aineen tiheyttä niin paljon, että se vastaa havaittua.

Teorian testaaminen on kuitenkin hyvin vaikeaa. Suurimmilla hiukkaskiihdyttimillä on kenties mahdollista päästä energioihin, joissa tulee esiin toisen inflaation edellyttämiä ilmiöitä.

Tutkimuksesta kerrottiin Brookhaven National Laboratoryn uutissivuilla ja se julkaistaan Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuva: BNL

Tagit

Kun Higgsin hiukkanen, joka antaa muille hiukkasille massan, löydettiin CERNissä vuonna 2012, yksi hiukkasfysiikan niin sanotun standardimallin keskeisistä palasista loksahti paikalleen. Samalla heräsi visaisia kysymyksiä, joista yksi liittyy koko kosmokseen: miten maailmankaikkeus voi olla olemassa.

Higgsin hiukkaset syntyivät, kun maailmankaikkeus laajeni inflatorisesti. Teorioiden mukaan sen olisi pitänyt johtaa epävakauteen, josta olisi ollut seurauksena maailmankaikkeuden romahtaminen heti alkumetreillään. Niin ei käynyt, koska olemme täällä pohtimassa siihen syytä.

Lontoon Imperial Collegessa professorina toimiva Arttu Rajantie selvitti työryhmineen viime vuonna, että maailmankaikkeuden pelasti luhistumiselta Higgsin hiukkasen ja gravitaation välinen vuorovaikutus. Nyt työryhmä on saanut määritettyä tuon vuorovaikutuksen voimakkuuden paljon aiempaa tarkemmin.

Vuorovaikutuksen voimakkuus on standardimallin viimeinen tuntematon parametri. CERNin LHC-kiihdyttimellä (Large Hadron Collider) tehtyjen kokeiden perusteella sen arvo on saatu määritettyä hyvin epätarkasti miinus kvadriljoonan ja kvadriljoonan välille (-10¹⁵–10¹⁵).

Tutkimalla välittömästi inflaatiota seurannutta ajanjaksoa, jolloin maailmankaikkeuden laajeneminen hidastui ja tasaantui, työryhmä on onnistunut parantamaan tarkkuutta huimasti: arvo on tuoreen arvion mukaan nollan ja yhden välillä. Jos se olisi suurempi kuin yksi, maailmankaikkeus olisi luhistunut kasaan.

Maailmankaikkeuden varhaisia vaiheita kuvaavia inflaatioteorioita on useita ja monet niistä ovat sopusoinnussa uuden tuloksen kanssa. Jatkotutkimukset ja tulevat havainnot saattavat auttaa tutkijoita ratkaisemaan, mikä teorioista on oikea.

"Olemme määrittäneet Higgsin hiukkasen ja gravitaation väliselle voimakkuudelle paljon aiempaa rajatumman vaihteluvälin", toteaa Rajantie. "Tulevissa hiukkaskokeissa ja kosmologisissa havainto-ohjelmissa tiedämme nyt paremmin, mitä etsiä, jotta saisimme selville tarkan arvon. Kun se yhdistetään muihin tietoihin, voimme kenties ratkaista, mikä inflaatioteoria on se oikea."

Tulevaisuudessa on tarkoitus toteuttaa useitakin kosmologiaan ja hiukkasfysiikkaan liittyviä tutkimushankkeita, joilla vuorovaikutuksen voimakkuuden arvoa pystytään entisestään tarkentamaan.

Esimerkiksi LHC-kiihdyttimen energia on kaksinkertaistettu sitten Higgsin hiukkasen löytymisen ja vastikään avaruuteen laukaistu LISA Pathfinder -luotain tähtää gravitaatioaaltojen havaitsemiseen – ja ne voivat kertoa osaltaan myös maailmankaikkeuden varhaisvaiheiden olosuhteista.

Tutkimuksesta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja se on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Imperial College London

Tagit

Olen pannut merkille, että termit kosminen inflaatio ja alkuräjähdys aiheuttavat usein hengenahdistusta silloin, kun ne esiintyvät samassa lauseessa. Oliko ensin alkuräjähdys ja sitten inflaatio, vai päinvastoin?

Kosmologeille alkuräjähdys tarkoittaa äärimmäisen kuumaa ja tiheää alkutilaa, josta nyt näkyvä universumimme on kehittynyt avaruuden laajentuessa ja aineen samanaikaisesti jäähtyessä. Suurelle yleisölle alkuräjähdys sen sijaan on usein matemaattinen piste, joka jostakin käsittämättömästä syystä otti ja pamahti.

Tämä kadunmiehen käsitys perustuu Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan – kadunmies (vai pitäisikö sanoa kadunhenkilö?) on siis varsin oppinut olento.

Suhteellisuusteoria sanoo seuraavaa: jos universumimme ainesisältö koostuu pelkästään alkeishiukkasista, Einsteinin yhtälöiden ratkaisu on laajeneva avaruus. Menneisyydestä ratkaisun matematiikka vannoo löytävänsä hetken, jolloin avaruuden tilavuus oli puhdas nolla. Silloin kaikki aine on ollut pusertuneena äärettömän tiheään tilaan. Tämä on tuo mieliä kiehtova singulariteetti, joka värisyttää herkimpien sielujen syvyyksiä.

Fyysikon arvomaailmassa matematiikka on kuitenkin idealisaatio, johon tulee suhtautua tietyllä skeptisyydellä. Siksi kosmologien satukirja tapasi aina sivuuttaa singulariteetin ja alkoi tyyliin: "Olipa kerran, kauan kauan sitten, maailmankaikkeus, joka nykyiseen verrattuna oli hyvin pieni ja täynnä kuumaa, tiheää alkeishiukkaspuuroa."

Alkeishiukkasia ovat mm. elektronit ja kvarkit, mutta myös fotonit ovat tässä väestönlaskennassa alkeishiukkasia. Säteily ei ole mikään oma olemisen lajinsa vaan pelkästään nimi alkeishiukkasille, jotka liikkuvat käytännössä valon nopeudella. Ja nykytietämyksen mukaan kaikki tunnetut alkeishiukkaset liikkuivat täsmälleen valon nopeudella 0,01 nanosekuntia nuoremmassa universumissa.

Alkeishiukkasten liikenopeudella on pieni vaikutus universumin laajenemislakiin. Mutta paljon tärkeämpi kysymys on: esiintyikö varhaisessa maailmankaikkeudessa myös jotakin muuta energiamuotoa kuin alkeishiukkasia?

Inflaatioteorian mukaan vastaus on kyllä. Inflaation käyttövoima on tyhjiön energia, ja se muuttaa laajenemislakia ratkaisevalla tavalla. Inflaation aikana avaruus pullistuu valoa nopeammin ja käytännössä tyhjenee kuin tilkitsemätön vesisaavi. Samalla lämpötila, yhdessä hiukkastiheyden kanssa, putoaa nollaan.

Inflaatioteorian alkumaailma ei ole kuuma ja tiheä vaan jääkylmä ja autio.

Inflaatioteoriat olettavat kuitenkin, että tyhjiön energia on epävakaa. Ennen pitkää se hajoaa alkeishiukkasiksi. Näin syntyy kuuma ja tiheä alkeishiukkaspuuro, jota kosmologit kutsuvat alkuräjähdykseksi.

Mutta tuolloin avaruudella oli jo koko.

Itse asiassa avaruus on voinut olla aina äärettömän kokoinen. Inflaatio voi tapahtua vain avaruuden yhdessä pikkuruisessa, sattuman määräämässä osasessa. Siellä pienestä siemenestä kasvaa koko meille nyt näkyvä universumi. Mitä tuolle kaikelle muulle avaruudelle kuuluu, se on, Kiplingin sanoin, kokonaan toinen juttu.

Marssijärjestys oli siis seuraava. Ensin oli inflaatio. Sitä kesti aikansa. Sitten inflaatio loppui ja meille tärkeä universumin osa kuumeni. Siitä alkanutta vaihetta kutsumme alkuräjähdykseksi.

Kun nyt sanomme, että universumi on 13,8 miljardia vuotta vanha, tarkoitamme siis oikeastaan, että inflaation päättymisestä on kulunut nuo pyöreät vuodet. Tai jos puhumme 0,01 nanosekunnin ikäisestä maailmankaikkeudesta, tarkoitamme että inflaation loppumisesta oli tuolloin vierähtänyt nanosekunnin sadasosa.

Emme tiedä, miten kauan inflaatio kesti. Emme tiedä, edelsikö inflaatiota jonkinlainen singulariteetti. Jos veikata pitäisi, arvaisin, että luultavasti ei. Maailmankaikkeuden ikä voi olla myös ääretön.