Elämän keitaita

Tieteen suuret kysymykset

29.4.2018 klo 14.35, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Eräässsä tutkimuksessa on kyselty yleisöltä mitä he pitävät tieteen suurimpina kysymyksina ja haasteina (https://www.npr.org/sections/13.7/2013/09/10/221019045/the-10n-most-important-questions-in-science). Vastausten perusteella ihmisiä kiehtovat eniten perinteiset olemassa olomme perusteita ja kaiken alkuperää koskevat kysymykset: ”Mistä maailmankaikkeus on tullut”, ja ”Miten elämä on syntynyt”. Näitä kysymyksiähän on ihmetelty niin kauan kuin tietoinen laji on ollut olemassa ja koettanut ymmärtää maailman olemusta ja omaa alkuperäänsä. Menneinä aikoina näihin kysymyksiin on koetettu vastata myyttien ja uskomusten avulla. Nykyään luonnontieteet rakentavat pienistä tiedon palasista kokonaiskuvaa siitä miten nämä prosessit olisivat aikoinaan oikeasti tapahtuneet.

Nyt ymmärrämme maailmankaikkeuden syntyneen prosessissa jota kutsumme Alkuräjähdykseksi: jokin äärettömän pieni piste räjähti jonkinlaisen kvanttihypyn kautta, laajeni valoa nopeammin ensimmäisen sekunnin pikkiriikkisen murto-osan ajan, ja tuossa räjähdyksessä syntyi kaikki se mitä maailmassa on olemassa. Meille maallikoille tuo tapahtuma on täysin käsittämätön, mutta kosmologit ja hiukkasfyysikot ovat tykönään tutkineet sitä, ja päässeet tapahtumista niinkin hyvään yhteisymmärrykseen että  selittävät sitä nykyisin mallilla jota kutsutaan ”standardimalliksi”. Malli perustuu lähinnä suhteellisuusteoriaan, kvanttiteoriaan, hiukkasfysiikkaan ja havaintoihin maailmankaikkeuden laajenemista, ja sen taustasäteilyn rakenteesta.

Standardimallin mukaan maailmankaikkeus syntyi inflaatioprosessin ja kuuman alkuräjähdyksen kautta. Tässä prosessissa olemattoman pieni lähtökohta laajeni hyvin nopeasti, valoa nopeammin, alle sekunnissa, nuoreksi maailmankaikkeudeksi.

Alkuräjähdys eteni vaiheittain. Sen ensimmäinen vaihe, eli varsinainen kaiken aineen ja energian synty, tapahtui noin 10 ^-32 sekunnissa. Tätä aikaa kutsutaan Planckin ajaksi. Se on lyhin mahdollinen mitattavissa oleva aika, ja niin lyhyt ettemme pysty sitä ymmärtämään. Tänä aikana maailma oli laajentunut noin 10²⁸ kertaiseksi, ja tämä luku taas on käsittämättömän suuri. Kuitenkin, mallit ennustavat että tuon ajan kuluessa maailma olisi laajentunut noin metrin laajuiseksi palloksi: tyhjiö avautui tuon suuruiseksi tilaksi, joka nyt sisälsi kaiken mitä maailmassa tuli koskaan olemaan. Tapahtuma eteni valon nopeutta nopeammin, eikä siis lähettänyt ympäristöönsä mitään valoa tai säteilyä. Tapahtumaa ajoi valtava tyhjiön energia, joka muuttui äärimmäisen kuumaksi säteilyksi, eli valon nopeudella liikkuviksi fotoneiksi ja alkeishiukkasiksi. Tämä prosessi synnytti kaiken aineen ja energian mitä maailmassa on, ja sitä kutsutaan inflaatioksi.

Inflaation alussa alkoi aika, ja sen aikana määräytyivät myös maailmankaikkeutta hallitsevat luonnonlait ja parametrit, eli  gravitaatio, ja vahva, heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus, joista ainakin kaksi viimeisintä olivat alussa yhdistyneenä yhdeksi, sähköheikoksi vuorovaikutukseksi. Suuren yhtenäisteorian puitteissa ajatellaan että myös vahva vuorovaikutus, ja ehkä myös gravitaatio, yhdistyisivät noilla suurilla energioilla yhdeksi vuorovaikutuskentäksi.

Inflaation aikana syntyneet ja kuuman alkuräjähdyksen aikana eriytyneet vuorovaikutusvoimat ohjaavat sitä miten erilaiset alkeishiukkaset käyttäytyvät ja reagoivat keskenään: Vahvat vuorovaikutukset vaikuttavat alkeishiukkasten välillä ja stabiloivat atomien ytimet: ne sitovat kvarkit toisiinsa ja muodostavat protoneja ja neutroneja. Ne myös ja pitävät koossa atomiytimiä sitomalla yhteen protoneja, jotka muutoin positiivisen sähkövarauksensa takia hylkisivät toisiaan; ne myös sitovat neutronit atomiytimien yhteyteen. Heikot vuorovaikutukset taas vaikuttavat leptoneihin ja kvarkkeihin siten että ne voivat muuttaa niitä toisiksi hiukkasiksi.

Sähkömagneettiset vuorovaikutukset taas vaikuttavat kaikkiin varautuneisiin hiukkasiin ja kappaleisiin siten että samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan, ja erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa. Esimerkiksi protonien positiiviset ja elektronien negatiiviset varaukset vetävät toisiaan puoleensa, neutraloivat toisensa ja pitävät koossa atomin rakennetta. Liikkuvat sähkövaraukset luovat ympärilleen magneettikentän. Sähkömagneettisen voiman kantama on suhteellisen lyhyt. Suurten, toisistaan kaukana olevien taivaankappaleiden välillä vaikuttaa vain gravitaatio.

Alkuräjähdyksen aikana syntyneiden vuorovaikutusvoimien suuruudet ja alkeishiukkasten ominaisuudet ja määrät säätelevät sitä, miten maailmankaikkeus kehittyy. Esimerkiksi, vahvan  vuorovaikutuksen voimakkuus (e = 0,007) kertoo kuinka lujasti atomien ytimet pysyvät kasassa ja kuinka paljon energiaa vapautuu kun vety-ytimet yhtyvät heliumiksi. Tämän voiman takia ydinreaktiot ovat tuottaneet eri alkuaineita, esimerkiksi happea ja hiiltä juuri niissä suhteissa kuin niitä nyt on olemassa; nämä ovat nyt vedyn ja heliumin jälkeen yleisimmät alkuaineet maailmankaikkeudessa.

Jos taas gravitaation voima olisi vallitsevaa arvoaan suurempi, olisi universumi ollut vain lyhytikäinen, se olisi romahtanut kasaan. Jos se olisi ollut pienempi, tähtiä ei olisi syntynyt. Myös koko joukko kosmisia vakioita,  mm. maailmankaikkeuden keskitiheys, tiheysvaihteluiden voimakkuus, laajenemisnopeus (= Hubblen vakio), pimeän aineen ja energian määrä ja näkyvän aineen ja energian määrä ovat vaikuttaneet siihen, miten maailmankaikkeus on kehittynyt. Kaikkien näiden vaikutuksesta maailmakaikkeus on kehittynyt juuri niin kuin se on kehittynyt: se tuottaa uusia tähtiä, planeettakuntia, ja planeettoja elinkelpoisella alueella. Nämä arvot ovat perustana sille että aine ja energia käyttäytyvät niinkuin ne käyttäytyvät: vety ja helium ytimet yhtyvät suurissa kuumuuksissa ja tuottavat suurempia alkuaineita kuten happea, typpeä, fosforia, rikkiä, ja raskaampia metalleita. Näiden parametrien ansioista maailma voi tuottaa elämää.

Jotkut sanovat että maailmankaikkeuden kehitystä ohjaavat parametrit ovat olleet tarkasti hienosäädettyjä niin että ne ovat mahdollistaneet monimutkaisen maailman ja elämän synnyn (tästä keskusteli mm. Pentti Varis alla olevan blogikirjoituksen ”Astrobiologian uudet foorumit” yhteydessä). Tämä ajatustapa kuitenkin sisältää oletuksen siitä että maailmanakaikkeudella olisi ollut jonkunlainen tarkoitus kehittyä juuri niin kuin se on kehittynyt, ja myös oletuksen siitä että maailma olisi tietoisesti pyrkinyt tuottamaan kaikkea tätä, eli planeettakuntia joissa monissa vallitsee sopivat olosuhteet elämälle, joissa ainakin joskus syntyy monimutkaista kemiaa ja jopa elämää, ja joskus, jopa monimutkaisia eliökuntia ja monimutkaisia tietoisia lajeja. Kuitenkin todennäköisempää lienee että kaikki tämä on tapahtunut vain siksi että se on ”voinut tapahtua”, maailman alkuperäisten parametrien hallitsemien satunnaisten prosessien kautta. Kaikki tämä kehitys on myös ollut edellytyksenä sille että nyt olemme tässä ja pohdimme näitä kysymyksiä; olemassa olomme on siis seuraus, eikä syy näille maailman parametreille (tätä johtopäätöstä kutsutaan antrooppiseksi periaatteeksi).

Maailmankaikkeuden kehitystä ja prosesseja määräävät myös termodynamiikan peruslait, joiden mukaan suljetussa systeemissä energian/materian kokonaismäärä säilyy, systeemin eri osat ajatutuvat keskenään (lämpö)tasapainoon, ja ajan mittaan epäjärjestys kasvaa maksimaaliseksi. Laajenevassa maailmankaikkeudessa nämä luonnon peruslait tarkoittavat sitä että pitkällä aikavälillä vain epäjärjestystä tuottavat prosessit voivat olla jatkuvia. On siis aika yllättävää että luonnolait ja prosessit silti yhdessä tuottavat myös suurta järjestystä, monimutkaisia rakenteita ja toimintoja, kuten galakseja, tähtiä ja planeettakuntia,  molekyylejä, polymeerejä ja niinkin monimutkaisia ja toiminnallisia systeemejä kuin eläviä soluja.  Kuitenkin näidenkin monimutkaisten prosessien on pakko toimia termodynamiikan ehdoilla. Kaikessa monimutkaisuudessaan ja korkeassa järjestyksen asteessaan, nekin ilmeisesti lisäävät maailman kokonaisentropiaa, eli epäjärjestystä.

Entropia lisääntyy tähtien sisällä niin että alkeishuikkasten massa hitaasti muuttuu säteilyksi. Elävän solun toiminnoissa se lisääntyy niin että solu sitoo säteilyenergiaa, ja muuttaa sitä kemialliseksi energiaksi, työksi ja lämmöksi. Sen sitoma säteilyenergia vapautuu lopulta pidempiaaltoisena lämpösäteilynä, jonka myötä systeemistä poistuu suurempi määrä matalampienergisiä fotoneita kuin mitä siihen alun perin sitoutui. Siis myös elämä systeemi, joka olemassaolollaan lisää maailman epäjärjestyksen astetta.