Vaikuttava maailmankaikkeus

Mitä alkuräjähdysteoria selittää ja mitä ei

JOKAINEN aamu on ihme. Syvällä aamuauringon sisuksissa vetyä fuusioituu heliumiksi miljoonien asteitten lämpötilassa. Auringon ytimestä virtaa röntgen- ja gammasäteitä uskomattoman rajulla voimalla ympäröiviin auringon kerroksiin. Jos aurinko olisi läpinäkyvä, nämä säteet syöksähtäisivät muutamassa sekunnissa auringon pintaan, ja niillä olisi kärventävä vaikutus. Sen sijaan ne alkavat kimpoilla atomista toiseen, joita on tiheään pakkautuneena auringon ”eristeessä”, ja ne menettävät vähitellen energiaansa. Kuluu päiviä, viikkoja, vuosisatoja. Tuhansien vuosien mentyä tämä aiemmin tappava säteily lopulta sukeltaa esiin auringon pinnasta leppeänä keltaisena valosuihkuna – ei enää uhkaavana vaarana, vaan juuri sopivana levittämään lämpöä maapallolle.

Jokainen yö on myös ihme. Toiset auringot tuikkivat meille suunnattoman kaukaa omasta galaksistamme. Siinä, miten monenvärisiä ja -⁠kokoisia ne voivat olla ja miten erilaisia ne voivat olla lämpötilaltaan ja tiheydeltään, ei ole mitään määrää. Jotkin ylijättiläiset ovat niin suuria, että jos yksi niistä sijoitettaisiin tarkalleen aurinkomme paikalle, niin planeettamme jäännökset jäisivät tällaisen supertähden sisään. Toiset auringot ovat hyvin pieniä. Niitä sanotaan valkoisiksi kääpiöiksi, ja ne ovat pienempiä kuin maapallomme, mutta yhtä painavia kuin aurinkomme. Jotkin niistä jatkavat rauhallista elämäänsä vielä vuosimiljardien ajan. Toisia odottaa tuhoutuminen supernovaräjähdyksessä, jonka kirkkaus voi loistossaan voittaa lyhyeksi aikaa jopa kokonaisten galaksien valovoiman.

Muinaisajan kansat puhuivat merihirviöistä ja taistelevista jumalista, lohikäärmeistä ja kilpikonnista ja norsuista, lootuskukista ja uneksivista jumalista. Kun sitten myöhemmin koitti niin sanottu järjen aikakausi, joutuivat jumalat tekemään tilaa uusille ”ihmeille”: matemaattisille laskelmille ja Newtonin laeille. Nykyään elämme aikakautta, jolta on riistetty vanhat runot ja tarut. Atomiajan lapset eivät ole valinneet maailmansynnyn selityksekseen muinaista merihirviötä eivätkä Newtonin ”mekaanista laitetta”, vaan vuosisatamme ylivoimaisesti tärkeimmän symbolin: pommin. Heidän ”luojansa” on yhtä kuin räjähdys. He käyttävät kosmisesta tulipallostaan nimitystä big bang eli suuri pamaus tai alkuräjähdys.

Mitä big bang ”selittää”

Tämän sukupolven suosituin maailmanselitysmalli lähtee siitä, että noin 15–20 miljardia vuotta sitten ei ollut olemassa maailmankaikkeutta eikä tyhjää avaruutta. Ei ollut aikaa eikä ainetta. Ei ollut mitään muuta kuin niin sanottu singulariteetti, yksi äärettömän tiheä ja äärettömän pieni piste, josta nykyinen universumi eli maailmankaikkeus on syntynyt räjähdyksessä. Tähän räjähdykseen sisältyi ensimmäisen sekunnin ensimmäisen pienen murto-osan aikana lyhyt hetki, jolloin vastasyntynyt maailmankaikkeus laajeni huimaa vauhtia, paljon valon nopeutta nopeammin.

Alkuräjähdyksen muutaman ensimmäisen minuutin aikana maailmankaikkeudessa muodostui atomiytimiä, ja tältä ajalta ovat peräisin vedyn ja heliumin ja ainakin osittain litiumin mitatut pitoisuudet tähtienvälisessä avaruudessa. 300000 vuoden kuluttua maailmankaikkeuden laajuinen tulipallo kenties oli jäähtynyt hieman alle auringon pinnan lämpötilan, minkä seurauksena elektronit saattoivat alkaa pysyvästi kiertää atomiytimiä ja fotonit (valo) vapautuivat yhtenä leimahduksena. Tämä aikojen alussa tapahtunut leimahdus on mitattavissa nykyään – vaikka se onkin jäähtynyt suuresti – kosmisena taustasäteilynä, jonka aallonpituus on mikroaaltoalueella ja joka vastaa lämpötilaltaan 2,7:ää kelviniä.a Tämän taustasäteilyn havaitseminen vuosina 1964–65 sai useimmat tutkijat uskomaan siihen, ettei alkuräjähdysteoria ole aivan tuulesta temmattu. Tämä teoria sanoo selittävänsä myös sen, miksi maailmankaikkeus näyttää laajenevan joka suuntaan, niin että kaukaiset galaksit näyttävät loittonevan meistä ja toisistaan suurella nopeudella.

Jos kerran suuren pamauksen teoria näyttää antavan selityksen hyvin monille asioille, niin miksi sitä epäillään? Syynä on se, että se myös jättää monet asiat selitystä vaille. Valaisemme asiaa esimerkillä. Antiikin aikaan eläneellä tähtitieteilijä Ptolemaioksella oli teoria, jonka mukaan aurinko ja planeetat kiersivät maapalloa pitkin suuria ympyräratoja, samalla kun ne kukin kiersivät omaa pientä ympyräänsä, niin sanottua episykliä. Teoria näytti selittävän planeettojen liikkeen. Kun tähtitieteilijät vuosisatojen kuluessa keräsivät lisää tietoja, ptolemaiolaiset kosmologit saattoivat aina lisätä episyklien päälle uusia episyklejä ja antaa ”selityksen” uusille tiedoille. Se ei silti merkinnyt sitä, että tämä teoria olisi ollut paikkansapitävä. Lopulta tietoja oli kertynyt yksinkertaisesti niin paljon, ettei niitä kyetty enää selittämään, ja seurauksena oli, että toiset teoriat – esimerkiksi Kopernikuksen ajatus siitä, että maapallo kiersi aurinkoa – selittivät asioita paremmin ja yksinkertaisemmin. Nykyään on vaikea löytää tähtitieteilijää, joka uskoisi ptolemaiolaiseen maailmankuvaan.

Professori Fred Hoyle vertasi niitä ponnistuksia, joiden avulla ptolemaiolaiset kosmologit yrittivät uusien havaintojen johdosta paikkailla puutteellista teoriaansa, niihin ponnistuksiin, joiden avulla alkuräjähdykseen uskovat yrittävät nykyään saada teoriansa säilymään hengissä. Hän kirjoitti: ”Tutkijoitten ponnistukset ovat kohdistuneet lähinnä alkuräjähdysteorian ristiriitaisuuksien salaamiseen, ja näin tämä heidän luomansa ajatustuote on tullut aina vain mutkikkaammaksi ja kömpelömmäksi.” Viitattuaan episykleihin, joilla Ptolemaios turhaan yritti pelastaa teoriaansa, Hoyle jatkoi: ”En juuri epäröi sanoa, että tämän seurauksena alkuräjähdysteorian yllä riippuu nykyään ruumisliina. Olen jo aiemmin maininnut tämän: kun jokin teoria joutuu vastatusten tosiasioitten muodostaman mallin kanssa, niin kokemus osoittaa, että teoria jää useimmiten häviölle.” (The Intelligent Universe, s. 186.)

Se, mitä tiedelehti New Scientist kirjoitti 22.–29.12.​1990 päivätyssä numerossaan, oli toistoa näille ajatuksille: ”Ptolemaioksen menetelmää on sovellettu säästelemättä – – alkuräjähdyksen nimellä kulkevaan kosmologiseen malliin.” Sen jälkeen lehti kysyi: ”Miten voimme saavuttaa todellista edistystä hiukkasfysiikassa ja kosmologiassa? – – Meidän täytyy tunnustaa rehellisemmin ja avoimemmin se, että jotkin rakkaimmista olettamuksistamme ovat luonteeltaan puhtaasti teoreettisia.” Nyttemmin on tehty runsaasti uusia havaintoja.

Kysymyksiä joihin suuri pamaus ei vastaa

Ne havainnot, joita tutkijat ovat tehneet mittaillessaan Hubble-avaruuskaukoputken korjatulla optiikalla etäisyyksiä toisiin galakseihin, ovat panneet suuren pamauksen teorian hyvin ahtaalle. Uudet tiedot ovat tuottaneet tämän teorian tuntijoille runsaasti päänvaivaa.

Tähtitieteilijä Wendy Freedmanin johtama tutkijaryhmä mittasi äskettäin Hubble-kaukoputken avulla etäisyyden erääseen Neitsyen tähdistöön kuuluvaan galaksiin, ja mittaukset viittaavat siihen, että universumi laajenee nopeammin ja on sen tähden myös nuorempi kuin aiemmin on ajateltu. Ne ”antavat maailmankaikkeuden iäksi vain kahdeksan miljardia vuotta”, raportoi tiedelehti Scientific American viime kesäkuussa. Vaikka kahdeksan miljardia vuotta voi tuntua hyvin pitkältä ajalta, se on silti vain noin puolet maailmankaikkeuden yleisesti arvioidusta iästä. Tämä aiheuttaa erikoislaatuisen ongelman, sillä – kuten raportissa edelleen todetaan – ”toiset tiedot puhuvat sen puolesta, että jotkin tähdet ovat vähintään 14 miljardin vuoden ikäisiä”. Jos Freedmanin luvut pitävät paikkansa, nämä vanhat tähdet olisivat vanhempia kuin itse suuri pamaus!

Eräs alkuräjähdysteorian tielle tullut ongelma on se, että yhä enemmän on kertynyt todisteita maailmankaikkeudessa olevista ”kuplista”. Ne ovat 100 miljoonan valovuoden kokoisia, ja niiden ulkopuolella on galakseja ja sisässä tyhjää. Margaret Gellerin ja John Huchran johtama tutkijaryhmä, joka työskentelee Harvard-Smithsonianin astrofysiikan tutkimuskeskuksessa, on löytänyt pohjoiselta taivaanpallolta jotakin sellaista, mitä he kutsuvat suureksi seinämäksi, jossa on galakseja noin 500 miljoonan valovuoden mittaisena nauhana. Ryhmä tähtitieteilijöitä, jotka ovat tulleet tunnetuksi nimellä ”Seitsemän samuraita”, on löytänyt todisteita toisenlaisesta avaruuden ainekasaumasta, jota he kutsuvat ”Suureksi puoleensavetäjäksi” ja joka sijaitsee lähellä kahta eteläisen taivaan tähdistöä, Vesikäärmettä ja Kentauria. Tähtitieteilijät Marc Postman ja Tod Lauer uskovat, että Orionin tähdistön takana täytyy olla jotakin vielä suurempaa, mikä saa sadat galaksit – myös oman galaksimme – virtaamaan tuohon suuntaan kuin lautat eräänlaisella ”avaruuden joella”.

Kaikki nämä rakennelmat tuntuvat hämmentäviltä. Taustasäteilyn väitetään olevan peräisin alkuräjähdyksestä, ja taustasäteilyn perusteella kosmologit sanovat alkuräjähdyksen energian levinneen erittäin tasaisesti joka suuntaan. Miten tällainen tasainen alku olisi voinut johtaa näin massiivisten ja monimutkaisten rakennelmien ilmaantumiseen? ”Nämä uusimmat havainnot, jotka koskevat seinämiä ja puoleensavetäjiä, vain voimistavat sitä arvoitusta, miten universumiin on voinut ilmaantua tällainen määrä rakennelmia niiden 15 miljardin vuoden kuluessa, jotka se on ollut olemassa”, tiedelehti Scientific American myöntää, ja ongelma vain pahenee, kun Freedman ja muut lyhentävät kosmoksen arvioitua ikää vielä entisestään.

”Meiltä puuttuu jokin keskeinen elementti”

Margaret Gellerin kolmiulotteiset kartat, jotka kertovat tuhansista galaksikasautumista, joissa on rykelmiä, tihentymiä ja kuplia, ovat muuttaneet tutkijoitten kuvaa maailmankaikkeudesta. Hän ei väitä ymmärtävänsä näkemäänsä. Näyttää siltä, ettei hänen suuri seinämänsä selity pelkästään painovoiman avulla. ”Minulla on usein sellainen tunne, että meiltä puuttuu jokin keskeinen elementti yrittäessämme ymmärtää tätä rakennelmaa”, hän myöntää.

Geller selittää tarkemmin epäilyksiään: ”On ilmeistä, että emme osaa antaa selitystä suurelle rakennelmalle alkuräjähdysteorian avulla.” Ne selitykset, joita maailmankaikkeuden rakenteelle voidaan antaa nykyisen taivaitten kartoituksen perusteella, ovat kaikkea muuta kuin lopullisia. Se on vähän samaa kuin jos pelkästään Uudenmaan lääniä tutkimalla voitaisiin laatia kartta koko maailmasta. Geller jatkaa: ”Jonain päivänä me ehkä havaitsemme, ettemme ole liittäneet palasia yhteen oikealla tavalla, ja kun me sitten liitämme ne yhteen oikealla tavalla, kaikki näyttää niin ilman muuta selvältä, että me ihmettelemme, miksemme tulleet ajatelleeksi sitä paljon aikaisemmin.”

Tämän jälkeen on aiheellista esittää kaikkein tärkein kysymys: minkä arvellaan olleen itsensä alkuräjähdyksen takana? Huomattava asiantuntija Andrei Linde, joka on yksi erittäin suositun inflaatioteorian, alkuräjähdysteorian version, laatijoista, myöntää avoimesti, että niin sanottu standarditeoria (alkuräjähdysteoria) ei vastaa tähän perustavanlaatuiseen kysymykseen. ”Ensimmäinen ja vaikein ongelma on se, onko suurta alkupamausta koskaan edes ollut”, hän sanoo. ”Joku voi kysyä, mitä oli sitä ennen. Jollei silloin ollut olemassa aika-avaruutta, niin miten kaikki on voinut ilmaantua tyhjästä? – – Selityksen antaminen alussa olleelle singulariteetille – sille mistä ja milloin kaikki alkoi – on edelleen nykykosmologian visaisin ongelma.”

Tiedelehti Discover tuli äskettäin eräässä kirjoituksessaan siihen tulokseen, että ”kukaan järkevä kosmologi ei väitä, että big bang on lopulliseksi jäävä teoria”.

Mennäänpä nyt ulos katselemaan taivaitten kaunista ja arvoituksellista tähtiholvia.

[Alaviite]

[Tekstiruutu s. 5]

Valovuosi – avaruuden mittakeppi

Maailmankaikkeus on niin suuri, että jos sitä lähdetään mittaamaan kilometreissä, niin se olisi samaa kuin jos Lontoon ja Tokion välistä etäisyyttä mitattaisiin mikrometrillä. Käytännöllisempi pituusyksikkö on valovuosi, joka tarkoittaa valon vuodessa kulkemaa matkaa eli 9500 miljardia kilometriä. Koska mikään ei liiku maailmankaikkeudessa valoa nopeammin ja valon kulku maasta kuuhun vie ainoastaan 1,3 sekuntia ja aurinkoon noin 8 minuuttia, täytyy yhden valovuoden olla jotakin aivan valtavaa.