Ensimmäinen 3D-kartta universumista valmistui 2011.Siinä näkyy 43 000 galaksia.Koko kaikkeudessa niitä on 100 miljardia.Ei ihme, että tutkijat kysyvät, mistä tämä kaikki on peräisin.

 

Nasan tietokoneet tuottavat maailmankaikkeuden malleja hypernäyttöön.Ehkä avaruuden äly on simuloinnut meidät vielä hienommalla tekniikalla.

 

 

Alkuräjähdys ei ehkä ollutkaan ainutkertainen alku vaan uusi alku universumin loputtomassa jatkumossa.Syklisen kosmoksen mallissa vanha kaikkeus luhistuu ja uusi räjähtää kasvuun.

 

 

Ikuisen laajenemisen mallissa universumeita pulpahtelee esiin kuin kuplia siellä, missä enegiaa on kyllin ja laajeneminen sopivasti hidastuu.Oma universumimme on yksi tällainen kupla.

 

 

Kvanttiteoria on nostanut rinnakkaismaailmat skifistä vakavaan keskusteluun.Jos hypoteesi osoittautuu oikeaksi, maapalloja on muitakin kuin tämä, jota me asutamme.

 

 

Todisteita uusien ideoiden pulesta voi löytyä kosmisesta mikroaaltosäteilystä, joka täytti universumin sen varhaislapsuudessa.Siinä saattaa näkyä jälkiä edeltäneestä universumista tai törmäykksestä naapuriin.

 

Mitä enemmän tutkijat maailmankaikkeuden syntyä ja kehitystä miettivät, sitä ahtaammalle joutuvat alkuperäinen alkuräjähdys ja uniikki universumi.

Syntyikö maailmankaikkeus ennen kuin sai alkunsa? Onko universumi oikeasti olemassa? Asummeko mustassa aukossa? Onko kaikkeuksia sadoittain ja omassammekin ulottuvuuksia toistakymmentä?

Kysymykset kuulostavat mielikuvituksellisilta, mutta ne on tiukasti ankkuroitu matemaattisiin malleihin, joilla kosmologit maailmankaikkeuden olemusta hahmottavat. Suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka ovat tarkimmin koetellut luonnontieteen teoriat. Lennokkainkaan ajatelma ei pääse korkeammalle kuin nämä teorioista tarkimmat sallivat. Silti nekin vievät kosmologit rajoille, joilla tuntuu avautuvan enemmän uusia kysymyksiä kuin löytyvän vastauksia vanhoihin.

Olemmeko simulaatiossa?

On yksi kosmologian osa-alue, jossa suhteellisuus- ja kvanttiteorioita ei tarvitse seurata. Tämä tutkimussuunta on syntynyt tietotekniikan sivutuotteena ja pyrkii selvittämään, onko maailmankaikkeus sittenkään totta.

On nimittäin mahdollisuuksien rajoissa, että se, mitä me nimitämme universumiksi, on suuri simulaatio, jossa kaikki – jokainen ihminen, eläin, kasvi, kivi, tähti ja galaksi – muodostuvat biteistä tietokoneohjelmassa. Tällainen epäilys herää muun muassa siitä, millä innolla tutkijat laativat matemaattisia malleja niin maapallon kuin avaruuden asioista.

Kenties halu rakentaa oma maailman malli on yleinen älyllisten olioiden taipumus, ja kenties suuressa maailmankaikkeudessamme on jokin – biologinen olento tai tekoäly – joka keksi tietokoneen vuosimiljoonia sitten ja on siitä pitäen kehittänyt sitä. Edistynyt kone voisi hyvinkin pitää sisällään aidolta vaikuttavan ympäristön ja miljardien ihmisten elämäkerrat.

Tietokonesimulaatiossa avaruustutkimus olisi tietenkin mieletöntä: se voisi saada selville vain sen, mitä koneessa pyörivä ohjelma sisältää.

Fyysikko Paul Davies on pohtinut simulaation mahdollisuutta syvemminkin. Hänen ajatuksenjuoksunsa kulkee näin:

Monien mallien mukaan maailmankaikkeus on ääretön. Äärettömyydessä taas epätodennäköisinkin tapahtuma toteutuu, joten on kutakuinkin varmaa, että jossakin on älykkäitä olentoja, jotka simuloivat kosmoksia. Koska jäljitelmä on aina halvempi kuin aito, simulaatioita on enemmän kuin todellisia maailmoja, joten on todennäköistä, että olemme osa tietokoneen ohjelmaa.

Toisaalta elämä simulaatiossa tarkoittaisi, että luonnonlaitkin olisivat keinotekoisia. Edes äärettömyys ei olisi totta vaan pelkkä lavastus, tietokoneohjelman tekotodellisuutta, joten superälykkäitä ohjelmiston kehittäjiä ei sittenkään ole olemassa vaan maailmamme on totta.

Kehäpäätelmällään Daviesin tarkoitus on ennen kaikkea osoittaa, että kun puhumme tietoisuudesta ja todellisuudesta, kaikki järkevät puheenvuorot on nopeasti käytetty.

Silti eräät tutkijat ovat jopa etsiskelleet avaruuden mikroaaltosäteilystä merkkejä siitä, että maailmankaikkeutemme tekijä olisi tavalla tai toisella signeerannut luomuksensa. Tunnettu futuristi Ray Kurzweil on sanonut ehkä olennaisimman tästä aiheesta: on mahdollista, että olemme jonkin toisen universumin koululaisen luonnontieteen kotitehtävä – mutta hän ei ansaitse kovin hyvää arvosanaa.

Suuri tarina saa tukea

Jos unohdamme tietokoneohjelman ja luotamme siihen, että maailmankaikkeus on totta, miten se sitten on muodostunut?

Kosmologian saaman suuren julkisuuden ansiosta perinteinen tarina on useimmille tuttu: tapahtui alkuräjähdys ja kosminen inflaatio eli kaikkeuden laajeneminen tasoitti aineen isoksi tasalämpöiseksi lakeudeksi, johon jäi sen verran pelivaraa, että saattoi syntyä tähtiä, galakseja, planeettoja ja lopulta elämää ja ihmisiä.

Suuri tarina on saanut hyvää tukea havainnoista, ennen kaikkea mittauksista, joita on tehty kosmisesta taustasäteilystä. Tämä mikroaaltosäteily, joka on peräisin alkuräjähdyksestä, todella kattaa universumimme hyvin tasaisesti. Nyt kun painovoima-aaltojenkin mittaaminen onnistuu, voimme odottaa todisteita myös kaikkeuden varhaisesta, valoa nopeammasta laajenemisesta. Sen olisi pitänyt synnyttää gravitaatioaaltoja, joiden rinnalla muut, jopa kahden jättiläismäisen mustan aukon yhdistyessä syntyvät värähtelyt ovat pientä liplatusta.

Alkuperäinen alkuräjähdyksen malli rajaa ulkopuolelleen suuret kysymykset: Oliko ennen alkua mitään? Mikä alussa oikein räjähti? Mikä määräsi räjähdyshetken?

Arvoitukset johtavat ikivanhaan kysymykseen siitä, mistä me tulemme. Kuka kunnon kosmologi ei kokeilisi kynsiään ihmiskunnan peruskysymykseen.

Tätä nykyä mahdollisia alkuja on ainakin neljä, ja ne voi nimetä monella tapaa, vaikka tunnetun kannattajan tai tapahtumien etenemisen mukaan.

Alussa tyhjyys tai aukko

Kuuluisaan brittikosmologiin Stephen Hawkingiin henkilöityy teoria, jonka mukaan maailmankaikkeus alkoi tyhjästä. Alussa oli tyhjiö ja tyhjiössä energiaa. Alkuräjähdyksen hetkellä tyhjiö koki poikkeuksellisen kvanttitapahtuman, joka muutti virtuaalisen aineen todelliseksi. Tällaisen tapahtuman puolesta puhuu se, että aineen kuroutumista tyhjästä tapahtuu nykyäänkin hiukkasten tasolla. Pitää myös muistaa, että Hawkingin mukaan maailmankaikkeus oli syntyessään alkeishiukkastakin pienempi.

Toinen mahdollisuus henkilöityy Nikodem Poplawskiin. Hän jäljittää alkuräjähdyksen syyn edelliseen universumiin. Siinä kehittyi musta aukko, joka purkautui ja tuotti meidän maailmamme. Poplawskin mallissa elämme siis mustassa aukossa, ja kaikki täkäläiset mustat aukot voivat olla uusien universumien alkupisteitä.

Poplawskin laskujen mukaan malli selittää maailmankaikkeuden tasaisuuden, eri kolkkien samankaltaisuuden. Koska musta aukko pyörii lähes valon nopeudella, se ei luhistukaan singulariteetiksi, äärettömän tiheäksi pisteeksi, kuten nykyinen teoria otaksuu. Sen sijaan aukko kutistuu pieneksi palloksi, josta kuuma aineseos ponnahtaa takaisin ulos, leviää ympäriinsä, jäähtyy ja järjestyy. Alkuräjähdys olisi siis ollut mustan aukon laajeneminen uudeksi universumiksi.

Samalla ratkeaa myös pari fysiikan peruspähkinää. Tutkijoiden on ollut vaikea selittää, miten käy mustan aukon ahmaiseman aineen sisältämälle informaatiolle, sillä kvanttimekaniikan mukaan tieto ei voi kadota. Toinen kysymys vailla vastausta on, miksi ajalla näyttää olevan vain yksi suunta, eteenpäin.

Poplawskin mallissa informaatio ei katoa mihinkään, koska musta aukko säilyttää sen toisessa universumissa. Ajan suunnan selittäisi se, että vanhan universumin hiukkaset menettävät vanhan symmetriansa ajan suhteen heti aukkoon pudottuaan.

Syklejä tai viiletystä

Kolmannen teorian mukaan maailmankaikkeus laajenee ja supistuu sykleissä. Eri versiot tarjoavat erilaisia syitä siihen, miksi kosmoksen laajeneminen päättyy ja luhistuminen alkaa. Aine voi esimerkiksi muuttua säteilyksi tai painovoima pysäyttää laajenemisen. Joka tapauksessa universumi painuu kokoon alkuatomiksi, joka kokee alkuräjähdyksen ja aloittaa uuden kasvamisen ja kutistumisen syklin.

Neljäs teoria, ikuisen tai kaoottisen inflaation teoria, pitää universumiamme vain yhtenä monista, eli olemme pieni osa suurempaa kokonaisuutta, multiversumia. Rinnakkaisia maailmankaikkeuksia esiintyy muissakin malleissa, mutta tässä ne ovat välttämättömiä, sillä myös oma maailmankaikkeutemme syntyi 13,8 miljardia vuotta sitten toisesta, varhaisemmasta maailmankaikkeudesta.

Kuten teorian nimikin sanoo, tässä mallissa avaruus laajenee loputtomasti. Arkijärjellä se tarkoittaa, että kaikki olevainen karkaa aina vain kauemmas ja avaruuden tyhjiö tyhjenee entisestään. On pakko kysyä, mikä kosminen keskuspankki saa inflaation aisoihin niin, että maailmankaikkeuksia voi syntyä.

Ukrainalaissyntyinen Alex Vilenkin ja venäläinen Andrei Linde ovat keksineet mahdollisen ratkaisun: kerran alettuaan inflaatio kyllä jatkuu loputtomasti, mutta hidastuu paikallisesti, kun aineen tila muuttuu. Silloin universumille avautuu tilaisuus.

Tämä malli haastaa vakiintuneen käsityksen siitä, että inflaatio seurasi alkuräjähdystä. Teoria esittää, että se edelsi alkuräjähdystä ja alkuräjähdys oli hetki, jona painovoima muuttui työntävästä vetäväksi. Silloin kaikkeus kuumeni miljardeja asteita ja syntyi tiheä alkeishiukkaspuuro, josta tuntemamme universumi alkoi kehittyä samaan aikaan kun inflaatio muualla jatkoi viiletystään.

Outo aine mahdollisti

Ruotsalaissyntyinen Max Tegmark on koonnut inflaatiosta oman mallinsa, jossa hän pohtii alkuaineen olemusta. Hän sanoo, että universumimme syntyi aineesta, jonka tiheys ei muuttunut, vaikka tilavuus kasvoi alkukosmoksen laajetessa. Kun kuutiosenttimetri laajeni kuutiometriksi eli miljoonaksi kuutiosentiksi, jokaisessa uudessa kuutiosentissä oli yhtä paljon materiaa kuin alkuperäisessä kuutiosentissä.

Jotain vastaavaa tapahtuu esimerkiksi kuminauhaa venytettäessä. Nauha toki ohenee ja sen tiheys vähenee, mutta venyttäminen pumppaa kumiin energiaa – joka on massaa toisessa muodossa – mikä kasvattaa kuminauhan painoa.

Tällaista erikoista ainetta ei tarvittaisi kuin nyrkin kokoinen möykky, jotta siitä syntyisi meidän maailmankaikkeutemme. Ja niin outoa kuin moinen materia onkin, myös Albert Einstein piti sen olemassaoloa mahdollisena.

Miksei sitä enää ole? Tegmarkin mukaan siksi, että se on hajonnut tavalliseksi aineeksi samaan tapaan kuin radioaktiivinen uraani hajoaa vakaaksi lyijyksi.

Kokonaan inflatorinen aine ei kuitenkaan hajonnut: jos vaikka kolmasosa muuttui alkuräjähdyksen jälkeen oman universumimme aineeksi, kaksi kolmasosaa jatkoi inflaatiota. Se haarautui taas kolmeen osaan, joista yhdessä tapahtui alkuräjähdys ja aineen muuttuminen. Nyt koossa oli kaksi universumia ja neljä inflaation jatkumoa. Seuraavassa vaiheessa universumeja syntyi neljä 12 inflaation jatkumosta ja niin edelleen, loputtomasti.

Kaikkeuksia valtavasti

Näyttää kovasti siltä, että nykypäivän kosmologi ei voi kättään heilauttaa törmäämättä toisiin maailmankaikkeuksiin. Multiversumin hyväksyvien joukko onkin laajenemaan päin, ja syitä löytyy ainakin kolme.

Suhteellisuusteorian ajatusta alkeishiukkasista on korjattava, koska teoria ei lainkaan kuvaa painovoimaa. Vahva ehdokas parannukseksi on säieteoria, jonka mukaan alkeishiukkaset syntyvät kuin sävelet viulunkielessä: säikeen erilainen värähtely tuottaa eri alkeishiukkasia samaan tapaan kuin värähtelyn taajuus tuottaa samalta viulunkieleltä useita säveliä.

Teorian oikea muotoilu on osoittautunut vaikeaksi. Yhtälöt voi ratkaista lähes loputtomilla tavoilla, joten ratkaisuja on ainakin 10 potenssiin 500 erilaista. Mitä merkitystä on teorialla, jolle käy mikä vain?

Kosmologit ovat huomanneet, että myös inflaatioteorian mukaan mahdollisia universumeja on helposti saman verran eli 10500. Jokaiseen kosmokseen riittäisi siis omat yksilölliset luonnonlakinsa säieteorian varastosta. Meidän universumimme on näin satumaisen sopiva synnyttämään tähtiä, galakseja, sinivalaita ja ihmisiä, koska johonkin kosmokseen on täytynyt osua juuri tähän sopivat luonnonlait ja -vakiot.

Multiversumista vihjaa myös universumimme pimeä energia.

Pimeän energian oletetaan piilottelevan avaruuden tyhjiössä, joka ei kvanttiteorian mukaan ole tyhjä vaan sisältää virtuaalihiukkasia. Tyhjiöenergian määrä on kuitenkin havaintojen mukaan 10 potenssiin 120 kertaa pienempi kuin teoriat ennustavat. Erotusta on sanottu koko tieteen historian pahiten pieleen menneeksi ennustukseksi. Samalla määrä on kuitenkin juuri oikea, jotta aineesta voi muodostua tähtiä, galakseja, oravia ja ihmisiä.

Jos universumeita onkin 10500, pimeän energian arvo on ymmärrettävä. Kaikki mahdolliset arvot ovat käytössä eri universumeissa, ja meillä on ihan sattumalta tuo meille sopiva määrä.

Sattuma sulostuttaa arjen, mutta pilaa tieteentekijän päivän, koska satunnaisuuksista ei saa otetta. Fyysikko Steven Weinberg onkin todennut, että jos pimeän energian arvo on pelkkä sattuma, tilanne on kovin epätyydyttävä, mutta hän ei liioin tiedä sääntöä, jonka mukaan luonnon olisi tehtävä fyysikko onnelliseksi.

Ainakin onnen hippusia irtoaisi, jos fyysikot pystyisivät todistamaan, että he ovat universumeissaan oikeilla jäljillä.

Todisteita voi löytyä

Nikodem Poplawskin mustan aukon malli voi olla testattavissa. Alkuperäisen mustan aukon pyörimisliikkeestä on saattanut jäädä jälki galaksien pyörimiseen. Tulevaisuuden teleskoopit saattavat havaita, suosivatko ne tiettyä kiertosuuntaa. Toinen todiste olisi, jos tutkijat saisivat kiinni alkuräjähdyksen aikaisia elektroneja ja kvarkkeja, jotka eivät olisi pistemäisiä kuten nykyiset alkeishiukkaset vaan jotka musta aukko olisi lingonnut nauhoiksi.

Myös syklisen kaikkeuden kannattajat arvelevat, että uuteen universumiin voi jäädä merkkejä edellisestä, silloinkin, kun luonnonlait vaihtuvat uusiin.

Kuinka ollakaan, kun avaruuden taustasäteily 2010-luvun alussa kartoitettiin tarkasti, siinä näkyi kiistatta renkaita, joita saattoi pitää todisteena syklisyydestä. Kriitikot kuitenkin osoittivat, että renkaat on helpompi selittää perinteisten mallien avulla. Ne olisivat yksinkertaisesti kosmisen inflaation jättämiä jälkiä.

Haasteensa tarjoaa multiversumikin. Naapuriuniversumin löytäminen on vaikeaa, ja inflaation vuoksi universumit vielä etääntyvät toisistaan. Silti on mahdollista, että varsinkin nuoruudessaan ne törmäävät toisiinsa tavalla, joka synnyttää pysyvän jäljen.

Tutkija Ranga Chary on etsinyt tällaista jälkeä Planck-satelliitin tuottamista taustasäteilyn kartoista. Kun Chary poisti kuvista kaikki tähdet, kaasun ja pölyn, jäljelle olisi pitänyt jäädä tasainen pinta. Sen sijaan kuvissa näkyy alueita, jotka ovat hieman ympäristöä kirkkaampia ikään kuin niissä olisi ylimääräistä ainetta. Se voi olla merkki törmäyksestä toiseen universumiin – tai pelkkää kosmista pölyä, joka on jotenkin jäänyt suodattumatta kuvasta. Nykytekniikalla ei saa selvitetyksi, kummasta on kyse, mutta Chary uskoo, että parissa vuosikymmenessä laitteet kehittyvät kyllin hyviksi ja vastaus saadaan.

Kvanttikaikkeus kopioituu

Multiversumin malleista laajimmin on hyväksytty niin kutsuttu monimaailmatulkinta, jonka mukaan universumilla on aina rinnakkaisuniversumi. Tämä teoria ei tarkkaan ottaen ollut alun pitäen niinkään kosmologiaa kuin pyrkimys ratkaista kvanttifysiikan synnyttämä ongelma.

Kvanttimaailmassa hiukkanen voi olla yhtä aikaa kahdessa paikassa – kunnes sitä mitataan. Silloin kaksivoipaisuus romahtaa. Perinteisessä fysiikassa romahdus merkitsee, että kahdesta vaihtoehdosta toinen toteutuu ja toinen ei, ja mittaus paljastaa kumpi realisoituu. Monimaailmassa toteutuvat molemmat: toinen tässä maailmassa ja toinen toisessa.

Monen tavallisen ihmisen mielestä rinnakkaismaailmaan – saati lukemattomien universumien multiversumiin – sisältyy häiritsevä ajatus, että jokaisesta meistä on olemassa kopio, jopa useita kopioita.

Fysiikan näkökulmasta tilanne on luonnollinen. Jos ääretön tila, kuten oma universumimme, täytetään alkeishiukkasilla, niistä syntyvien mahdollisten kokoonpanojen vaihtoehdot loppuvat joskus. Silloin syntyy kaksi samanlaista protonien, neutronien ja elektronien ryvästä. Koska Maa on yksi tuollainen ryväs, se ja kaikki sen oliot kopioituvat.

Monelle tutkijalle monimaailma on vain yksi tapa ratkoa yhtälöitä virka-ajan rajoissa, mutta onpa niitäkin, jotka uskovat sen kuvaavan todellisuutta. Ainakin Max Tegmark on kertonut, kuinka täpärä pelastuminen liikenneturmasta herätti helpotuksen tunteen mutta myös surun siitä, että toisessa maailmassa rinnakkaisolento ei selvinnyt.

Monimaailmatulkinnan todistaminen oikeaksi tai vääräksi saattaa olla yllättävän lähellä. Tutkijat osaavat virittää yhä suurempia kappaleita kaksitahoiseen kvanttitilaan, joten ehkä piakkoin nähdään, mitä tapahtuu, kun vaikkapa pelikortin kvanttitila muuttuu: jakautuuko universumi kahdeksi ja kummassakin on oma kortti vai jääkö tutkijoiden käteen mustapekka.

 

Universumi nyt

 

 

Käsityksemme universumista perustuu kosmisen mikroaaltosäteilyn lämpötilaeroihin. Niihin kätkeytyvät syntyhetki, aineen jakauma ja laajenemishistoria. Kuva: Nasa

 

13,8 miljardia vuotta sitten tapahtuu alkuräjähdys.

10-32 sekuntia myöhemmin alku-universumi kokee inflaation eli laajenee valoa nopeammin.

1 sekunti myöhemmin neutronit, protonit, elektronit, fotonit ja neutriinot ovat syntyneet.

100 sekuntia myöhemmin kevyet vety- ja heliumytimet muodostuvat.

300 000 vuotta myöhemmin alkuplasma jäähtyy, atomit syntyvät.

380 000 vuotta myöhemmin alkuplasma kirkastuu, fotonit alkavat virrata. Ydinten törmäyksissä syntynyt mikroaaltosäteily levittäytyy kaikkialle avaruuteen.

200 miljoonaa vuotta myöhemmin ensimmäiset tähdet syntyvät.

500 miljoonaa vuotta myöhemmin ensimmäiset galaksit muodostuvat.

5–6 miljardia vuotta myöhemmin pimeä energia kiihdyttää universumin laajenemista.

9 miljardia vuotta myöhemmin aurinkokunta muodostuu.

13,8 miljardia vuotta myöhemmin universumissa on sata miljardia galaksia ja miljoona triljoonaa tähteä. Laajeneminen jatkuu kiihtyen.

 

Näkyvä kaikkeus on halkaisijaltaan noin 90 miljardia valovuotta. Näkymättömiin jäävän osan kokoa ei tiedetä. Sitä voi olla kynnenleveys, äärettömästi tai jotain siltä väliltä.

Universumi laajenee kiihtyvällä nopeudella. Koska valon nopeus on vakio, kaukaisimmat kohteet häviävät vähitellen näkyvistä.

Rakenteesta 25 prosenttia on pimeää ainetta ja 70 prosenttia pimeää energiaa. Niitä sanotaan pimeiksi, koska sähkömagneettinen säteily, kuten valo, ei vaikuta niihin. Niiden olemassaolo tiedetään, koska ne vaikuttavat painovoimaan.

Tavallista ainetta, kuten protoneja, neutroneja ja elektroneja, joista atomit rakentuvat, on vain 5 prosenttia. Yleisin alkuaine on vety, jota syntyi varhaisessa universumissa. Osa vedystä on muuttunut tähdissä raskaammiksi alkuaineiksi, joista kaikki – myös me ihmiset – koostuu.

Saattaa rakentua atomiakin pienemmistä osista, avaruuden kvanteista. Tähän eivät kaikki usko, mutta jotkut katsovat, että mustat aukot todistavat kvantittumisen puolesta. Ilman kvantteja avaruus ei voisi puristua kokoon räjähtämättä.

Ulottuvuuksia on neljä, joista yksi on aika. Kokemuksesta riippumattomassa todellisuudessa ulottuvuuksia voi kuitenkin olla 2 tai 10 tai jotain siltä väliltä.

Epävakaus on leimallista, sillä avaruus ei ole alimmalla energiatasollaan. Tähän viittaavat sekä laajeneminen että Higgsin hiukkasen ominaisuudet. Todennäköisyys, että kosmos tuhoutuisi epävakauden vuoksi, on kuitenkin häviävän pieni.

Ihmisaivot ovat monimutkaisin rakenne, joka universumista on löydetty. Sanotaankin, että ihmisessä universumi on tullut tietoiseksi itsestään.