Kirjain B: Big Bang

'Blogikirjoitus kerran viikossa' -haaste jatkuu. Aakkosjärjestyksessä edeten seuraava looginen askel on kirjoittaa kirjaimesta B. Vuorossa onkin ilmiö nimeltä Big Bang.

Suuri alkuräjähdys

Kosmologian termeistä Big Bang eli suomeksi alkuräjähdys on varmasti tunnetuin ja samalla väärin ymmärretyin. Koitan tässä kirjoituksessa avata käsitteen historiaa ja selvittää yleisimpiä harhakäsityksiä asiasta.

Einsteinin melkein sata vuotta sitten johtaman yleisen suhteellisuusteorian sisältö on seuraava. Tässä kohtaa ei saa pelästyä asian hankaluutta sillä perusidea on pohjimmiltaan melko yksinkertainen:

"Aika-avaruuden muoto määrää miten kaikenlainen aine siinä liikkuu. Aine puolestaan kaareuttaa aika-avaruutta ja määrää sen muodon."  Selkeytyksenä yksinkertainen kuvaaja:

Aine kaareuttaa avaruutta joka määrää aineen liikkeen joka kaareuttaa avaruutta joka määrää aineen liikeen, ja niin edelleen.

Tämän takia pystymme laskemaan, miten maailmankaikkeutemme koko ja muoto muuttuu ajan mittaan. Einstein huomasi nopeasti, että maailmankaikkeuden täytyy joko kutistua tai laajeta. Aluksi hän yritti tasapainottaa kaikkeutensa muokkaamalla yhtälöitään, mutta galaksihavainnot osoittivat pian, että laajentumista täytyy tapahtua. Einstein kutsui tätä erhettään jälkikäteen 'elämänsä suurimmaksi mokaksi.'

Karkaavat galaksit

Yhdysvaltalainen tähtitieteilijä Edwin Hubble huomasi kymmenisen vuotta Einsteinin teorian julkaisemisen jälkeen että kaukaiset galaksit liikkuvat järjestelmällisesti meistä poispäin. Lisäksi galaksin kaikkoamisnopeus vaikutti olevan sitä suurempi, mitä kauempana galaksi sijaitsi. Tämä oli mullistava löytö: maailmankaikkeus laajenee!

Avaruuden laajenemista voi havainnollistaa kahdella arkisella esimerkillä. Ensimmäinen on ilmapallo: piirrä pieneen ilmapalloon galaksin kuvia. Kun palloon puhalletaan lisää ilmaa, kasvaa kaikkien galaksien etäisyys toisistaan. Toinen esimerkki on kohoava pullataikina: vaikka rusinat pysyvät paikallaan taikinassa, niiden välinen etäisyys kasvaa.

Maailmankaikkeuden laajenemisen ilmapallovertaus. Ainoa ero on, että pallon pinta on kaksiulotteinen, kun taas maailmankaikkeudessa on kolme tilaulottuvuutta. Kuva: oneminuteastronomy.com.

Kuuma alkuhetki

Venäläissyntyinen George Gamow otti seuraavan askeleen kohti nykykäsityksiä 1940-luvulla. Hän ymmärsi, että koska maailmankaikkeus laajenee, sen on täytynyt olla ennen pienempi. Kun mennään tarpeeksi kauas taaksepäin, tulee vastaan hetki, jolloin maailmankaikkeuden koko on nolla. Tämä laajenemisen alkuhetki on 13.8 miljardin vuoden päässä menneisyydessä.

Gamowin toinen oivallus oli, että kaikki maailmankaikkeuden aine oli tuolloin ahtautuneena hyvin pieneen, tiheään tilaan. Sen täytyi olla siis hyvin kuuma. Gamow ennustikin että alun kuumuuden jälkihehkun pitäisi olla havaittavissa vielä nykypäivänä.

Nimi 'Big Bang' tulee ajatusta vastustaneelta tiedemieheltä, Fred Hoylelta. Hänen mukaansa maailmankaikkeus oli äärettömän vanha ja muuttumaton. Yrittääkseen tehdä Gamowin teorista naurunalaisen, hän kutsui kuumasta alusta laajenevaa maailmankaikkeutta Big Bangiksi. Nimi jäi elämään, vaikka Hoyle oli lopulta väärässä. Alkuräjähdyksen jälkihehku havaittiin 1960-luvulla, mikä todisti Gamowin ja kumppanien olleen oikeassa. Tätä kohinaa voi kuunnella itsekin vanhan telkkarin avulla: 'lumisaderuudun' kohinasta noin prosentti on peräisin alkuräjähdyksen kuumasta plasmasta.

Tästä tuleekin suuri harhakäsitys: Big Bang ei ole räjähdys, eikä maailmankaikkeus laajene räjähdyksen työntävoiman takia. Kuten tekstin alussa kuvailin, maailmankaikkeuden koon muutokset johtuvat pelkästään sen sisältämästä tavarasta. Koska nuori maailmankaikkeus sisälsi runsaasti ainetta ja energiaa, sen täytyi laajeta. Ainoa räjähdyksenomainen ominaisuus on hirvittävä kuumuus. Tämän vuoksi etenkin vanhassa kirjallisuudessa käytetään Big Bangistä nimitystä Tulipallo.

Alkuräjähdyksen hehkua mikroaaltotaivaalla (punaoranssi). Kotigalaksimme Linnunrata (sininen) on hiukan edessä kokotaivaan kuvassa, mikä harmistuttaa kosmologeja. Lähde: ESA, Plack Collaboration.

Ajan arvoituksellinen alku

Koska avaruus ja aika nivoutuvat yhdessä neliulotteiseksi aika-avaruudeksi, myös aika alkoi Big Bangissa. Ajan käsite ei ole millään tavalla mielekäs ennen tätä. Harhakäsitys on kuvitella mustaa avaruutta jossa yhtäkkiä leimahtaa räjähdys. Matemaattisesti tilannetta kuvailee paremmin matkustaminen Maapallon Pohjoisnavalle: tarpeeksi pohjoiseen päästyäsi et pääse enää pohjoiseen: olet täsmälleen navalla. Siellä pohjoisuus loppuu ja ainoa tie vie takaisin etelään, ajan kulkusuuntaan.



Uuden gravitaatioteorian jäljillä

Tulipalloteoriaa tukevat lukuisat todisteet. Se ennustaa esimerkiksi tarkasti maailmankaikkeuden kemiallisten alkuaineiden runsaudet (osa syntyy myöhemmin tähdissä) ja kosmisena mikroaaltotaustana tunnetun jälkihehkunsa rakenteen.

Tällä hetkellä ei ole epäilystäkään, etteikö maailmankaikkeus olisi saanut alkuaan kuumasta ja äärimmäisen pienestä alkutilasta. Ensimmäisen sekunnin tapahtumia tutkitaan aktiivisesti niin hiukkaskiihdyttimillä kun teoreetikoiden laskulehtiöissä. Ajan mittaan teoriaa on tarkennettu ja siihen on lisätty lisäosia, kuten kiihtyvän laajenemisen inflaatiovaihe. Inflaatiosta saatan kirjoitella myöhemmin lisää.

Tulipallo ja maailmankaikkeuden laajeneminen. T kuvaa aikaa, X ja Y avaruutta. Kuva: Wikipedia.

Harmillisesti lisätietoa varten tarvitsemme uuden gravitaatioteorian. Kun mennään ajassa taaksepäin, yleinen suhteellisuusteoria lakkaa toimimasta kun nollahetkeen on matkaa mitättömät 0,0000000000000000000000000000000000001 sekuntia! Uuden teorian ('Suuri yhtenäisteoria, Kaiken teoria jne') on otettava huomioon niin sanotut gravitaatiokentän kvantti-ilmiöt. Tällä hetkellä alkutilan epäillään olleen jonkinlaista kuplivaa kvanttipuuroa, jos varsin vapaamuotoinen ilmaisu sallitaan. On epäselvää, oliko alkutila piste eli singulariteetti. Singulariteetteja sijaitsee myös mustien aukkojen keskipisteissä.

Vasta tulevaisuudessa saamme tietää, mitä alkuhetkellä tapahtui, ja oliko Big Bang edes todellinen alkuhetki. Voi olla, että maailmankaikkeuttamme edelsi edellinen maailmankaikkeus. Tämä on yksi
monista aiheeseen liittyvistä spekulatiivisista ehdotuksista. Populaarikirjoituksista tämän viikon aiheeseen suosittelen Stephen Hawkingin bestselleriä, Ajan lyhyttä historiaa. Hawkingin elämästä on muuten vastikään julkaistu leffa nimeltä The Theory of Everything.

Kirjain A: aika, avaruus ja aika-avaruus

Lomajutuista kirjoittelu päättyi syksyllä vanhan läppärin hajoamiseen (sinne jäivät lomakuvat).


Nyt olisi kuitenkin tarkoitus yrittää jatkaa kirjoittelua hiukan tasaisemmassa tahdissa. Haasteena itselleni päätän kirjoittaa pieniä 'populaariartikkeleita', yhden jokaista aakkosten kirjainta kohti. Aiheena teksteille ovat (yllätys) modernin luonnontieteiden osa-alueet. Aloituskirjaimena A aionkin alustaa ajatuksia aiheesta arvoituksellinen aika-avaruus.

Ajan lyhyt historia

Ennen 1900-luvun alkua ajateltiin ajan on absoluuttista. Tämä tarkoittaa sitä, että aika kulkee samaan tahtiin kaikille ja kaikkialla. Ajan absoluuttisuus on arkioloissa luonnollinen havainto, ehjät kellot tapaavat käydä samaan tahtiin ulkoisista olosuhteista riippumatta.

Oletus ajan samanlaisuudesta kaikille 'havaitsijoille' (kuten fyysikkoslangi sanoo) johti luonnontieteilijät pulmiin 1800-luvulla: vanhat ajatukset eivät toimineetkaan uusien ideoiden kanssa. Maxwellin upouusi sähkömagnetismin teoria selitti valon olevan sähkömagneettista aaltoliikettä, joka etenee noin 300 000 kilometriä sekunnissa (noin 7.5 kertaa Maapallon ympäri siis). Kysymys kuuluikin: minkä suhteen tämä nopeus mitataan?

Pulmia ilmenee

Tilanteen selventämikseksi kuvitellaan seuraava tilanne: paperilennokin heitto liikkuvassa junanvaunussa. Vaunussa istuvan heittäjän mielestä lennokki lentää varsin hitaasti, vain joitakin metrejä sekunnissa. Junanradan vierellä istuskeleva veikkonen huomaa kuitenkin ohiajavan Pendolinon ikkunasta vilahtavan liidokin etenevät huomattavan suurella nopeudella. Kumpi nopeus on sitten 'se oikea'? Vastaus kuuluu tietenkin: molemmat. Lennokin nopeus riippuu katsojan näkökulmasta. Näkökulman vaihtoa vaunun matkustamon ja radanvarren välillä kutsutaan Galilein muunnokseksi (matemaattisesti tämä on siis paikkamuunnos).

Valon tapauksessa tilanne on kimurantimpi: paikkamuunnos ei toimikaan! Jos Galilein paikkamuunnosta soveltaa valoon, sen aaltomuoto ei toteudu. Esimerkiksi: vain paikallaan seisomalla voisi nähdä läheisen katulampun. Aina liikuttaessa johonkin suuntaan valo katoaisi. Tämä on ongelmallista niin arkikokemuksen kuin matematiikankin kannalta.

Mitä muuta aika on kuin kelloja?

Neljäs ulottuvuus

1900-luvun alussa Lorentz ja Einstein kehittivät uuden muunnoksen, joka ratkaisi valon etenemiseen ja nopeuteen liittyvät kysymykset. Valon nopeus on aina sama omasta liikkeestä riippumatta, ja paikkamuunnoksen lisäksi tarvitaan aikamuunnos. Kuuluisassa Lorentzin mukaan nimetyssä muunnoksessa aika ajatellaan uudeksi ulottuvuudeksi pituuden, leveyden ja korkeuden lisäksi. Erilliset 'aika' ja 'suunta' (avaruus) yhdistyvät neliulotteiseksi aika-avaruudeksi. Kaiken kukkuraksi aika ei olekaan enää sama kaikille, vaan riippuu siitä, millä nopeudella liikutaan. Aika on siis suhteellista. Tätä kutsutaan suppeaksi suhteellisuusteoriaksi. Suuri osa tämän jälkeen keksitystä fysiikasta ja teknologiasta perustuu tästä merkittävästä löydöstä syntyneisiin ideoihin.


Ajan hidastuminen

Elokuvista ja kirjallisuudesta (Interstellar, Jäänpuskijat) lienee monelle tuttua, että lennettäessä scifiraketilla lähellä valon nopeutta aluksen matkustajien aika kuluu hitaammin kuin Maahan jääneiden aika. Tämä uskomattoman kuuloinen ilmiö on myös mitattu pienillä nopeuksilla matkustajalentokoneita käyttäen. Lennättämällä tarkkaa kelloa, esimerkiksi atomikelloa, maailman ympäri havaitaan, että liikkuneessa kellossa aikaa on kulunut hiukan vähemmän kuin paikallaan lentokentällä ollessa. Ero on tietenkin pieni (sekunnin tuhannesosan murto-osa, ei vuosia kuten elokuvissa) lentokoneen hitaasta nopeudesta johtuen.

Suuren nopeuden lisäksi massiivisen kappaleen painovoimakentässä oleilu hidastaa aikaa muihin verrattuna. Tämäkin on mitattu laboratoriossa, tosin mihinkään Interstellar-elokuvan tapaisiin aikahidastumiin ei Maapallon pienellä massalla päästä.

Tulevaisuuden rakettimatkustajalle ajan hidastuminen suhteessa Maapalloon ei tuo kuitenkaan pitkää ikää. Idea piilee siinä, että aika kulkee hitaammin ainoastaan suhteessa muihin. Nopeasti kiitävä matkalainen ei tuntisi mitään outoa suurissakaan nopeuksissa. Toisaalta lähellä valonnopeutta lentäminen on tavallaan yksisuuntainen matka tulevaisuuteen: matkalaisen kymmenen vuoden avaruuslenkki lähitähden ympäri kestääkin paljon kauemmin Maapallolla odottelevien mielestä. Riippuen raketin nopeudesta, Maassa voi kulua huomattavasti pidempikin aika kuin vuosikymmen: astronautti lähtee kotoa vaikkapa vuonna 2200. Omasta mielestään Alpha Centaurin kiertämiseen kuluu astronautin mielestä 10 vuotta. Kotiinpaluupäivänä kalenteri näyttääkin vuotta 2320. Tätä kutsutaan 'aikadilataatioksi'.


Ero ihmisen kokemukseen

Ihminen kokee ajan tietoisena nykyhetkenä, elämme aina tässä ja nyt, vaikka aika kulkee eteenpäin. Muistin avulla osaamme ajatella mennisyyttä. Ajettelemalla voimme aavistella tulevia tapahtumia. Aika määritetään kokemuksen perustella eri tapahtumien suhteen (havainnot ympäristöstä, kellon käyminen jne). Koska elämme pienissä nopeuksissa ja painovoimakentässä, aika kulkee ihmiselle erittäin lähellä tasaista nopeutta. Tylsyys tai hauskanpito tuntuvat muuttavan kokemamme ajan nopeutta, mutta tämä on puhtaasti psykologinen ilmiö. Modernin fysiikan aikakäsitys ja ihmisen henkilökohtainen käsitys ajasta liittyvät siis mielenkiintoisilla tavalla toisiinsa.

Alle piirtelin Paintilla ajatusta havainnollistavan kuvan. Huomattavaa on erityisesti nykyhetki ja menneisyyden ja tulevaisuuden ero. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että ihminen olisi jotenkin luonnonlaeista irrallinen olento, me vain koemme ajan erilaiseksi kuin miltä sen matematiikka näyttää. Havaitsijan rooli on tässä tärkeä, siitä kertonen lisää myöhemmin.

Karkea kuvaus siitä, miten luonnonlakien matematiikan aika eroaa arkisesta kokemuksestamme.

Noin. Tämän jutun kirjoittamiseen kului noin yksi tunti. Kello on 21.08 Suomen aikavyöhykkeellä, talviaikaa. Valonsäde matkaa Kuusta maahan noin 1.3 sekuntia. Aamulla kello 10.00 on pienimuotoinen kokous.

Seuraavana onkin vuorossa kirjain B. Sen kirjoittamista odotellessa!