Kasvu vastaan kehitys
Minkä takia maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt muutaman viime miljardin vuoden aikana? Tämä on yksi kosmologian suuria kysymyksiä, ja siihen tarjotaan yleensä kahta mahdollista vastausta.
Voi olla, että maailmankaikkeus on täynnä tuntematonta ainetta, jonka gravitaatio on hylkivä. Tai sitten gravitaatio onkin sellainen, että isoilla etäisyyksillä aineen tai avaruuden osat hylkivät toisiaan, sen sijaan että vetäisivät puoleensa.
Edellinen vaihtoehto tunnetaan nimellä pimeä energia, jälkimmäisessä on kyse yleisen suhteellisuusteorian muokkaamisesta. (Kolmas vaihtoehto, jonka mukaan kiihtyvä laajeneminen johtuu kosmisten rakenteiden muodostumisesta, vaikuttaa nykyään epätodennäköiseltä.)
Tällä hetkellä lähes kaikki havainnot sopivat yhteen sen kanssa, että kiihtyvä laajeneminen johtuu tyhjön energiasta tai kosmologisesta vakiosta. Tyhjön energia on yksinkertaisin pimeän energian muoto: se on tyhjään tilaan liittyvää energiaa, ja sitä on yhtä paljon kaikkialla ja aina. Kosmologinen vakio taasen on yksinkertaisin tapa muokata yleistä suhteellisuusteoriaa: se johtaa siihen, että tyhjän avaruuden osat hylkivät toisiaan samalla tavalla kaikkialla ja aina. Matemaattisesti tyhjön energia ja kosmologinen vakio ovat identtisiä, ja lepsut kosmologit käyttävät termejä joskus sekaisin.
Vain nämä yksinkertaisimmat vaihtoehdot ovat samanlaisia: monimutkaisempien pimeän energian ja muokatun gravitaation vaikutus eroaa toisistaan. Tämän eron etsiminen on yksi ensi vuonna taivaalle laukaistavan Euroopan avaruusjärjestö ESAn Euclid–satelliitin tavoitteista.
Markkinoilla lienee satoja pimeän energian malleja, sekä maltillisempi määrä muokattuja gravitaatioteorioita kiihtyvän laajenemisen selittämiseksi. Kukin malli ennustaa, miten maailmankaikkeuden laajenemisnopeus on muuttunut miljardien vuosien aikana. Ennusteissa on yleensä enemmän tai vähemmän säätämisen varaa. Jos havaitaan maailmankaikkeuden laajenemisen poikkeavan tyhjön energian ennusteista tietyllä tavalla, tämä osoittaa monta mallia vääriksi, mutta vielä luultavasti löytyy sekä niin pimeän energian kuin muokatun gravitaation malleja, jotka sopivat havaintoihin. Jos havainnot olisivat niin yllättäviä, että kukaan ei olisi sattunut esittämään sopivaa mallia, niin teoreetikot sorvaisivat sellaisen parissa päivässä.
Koko muokatun gravitaation mahdollisuuden poissulkeminen on siis hankalampaa kuin yksittäisten mallien testaaminen. Se on kuitenkin mahdollista käyttämällä hyväksi sitä, että pimeä energia ja muokattu gravitaatio eivät vaikuta ainoastaan avaruuden laajenemiseen, vaan myös siihen, miten rakenteet kehittyvät.
Mitä nopeammin avaruus laajenee, sitä vaikeampi gravitaation on kasata ainetta rakenteiksi kuten galaksiryppäiksi. Tyhjön energia ja kosmologinen vakio eivät vaikuta rakenteiden kehitykseen muuten kuin muuttamalla laajenemisnopeutta. Mutta monimutkaisempi pimeä energia tai muokattu gravitaatio vaikuttaa rakenteiden muodostumiseen myös suoraan. On esimerkiksi vaikea muuttaa gravitaatiota siten, että se mullistaa avaruuden laajenemisen vaikuttamatta myös siihen, miten galaksit vetävät toisiaan puoleensa.
Vaikka säätäisi yhden pimeän energian mallin ja toisen muokatun gravitaatiomallin siten, että niiden vaikutus avaruuden laajenemiseen on tismalleen samanlainen, ne vaikuttavat eri tavalla rakenteiden kehitykseen. Niinpä vertaamalla avaruuden laajenemista ja rakenteiden kehitystä toisiinsa pystyy selvittämään, onko vastuussa outo aine vai kumma gravitaatio.
Euclid luotaa kolmanneksen taivasta miljardien valovuosien syvyyteen. Satelliitti havaitsee yli miljardi galaksia, ja mittaa valon taipumisesta johtuvan niiden muodon vinoutuman. Gravitaation muokkaaminen vaikuttaa siihenkin, miten kappaleet taivuttavat valoa, kun taas pimeä energia ei muuta sitä.
Rakenteiden kehityksen ja valon taipumisen tarkat mittaukset suurelle joukolle kohteita ovat vaativia. Niinpä emme vielä tiedä hyvin sitä, kuinka paljon laajenemisen ja rakenteisen kehityksen suhde voi poiketa yleisen suhteellisuusteorian ennusteesta – nykyiset virherajat ovat sadan prosentin luokkaa.
Euclidin tarkkojen mittausten odotetaan kaventavan poikkeamien mahdollista suuruutta kymmenen prosentin tiimoille. Tai sitten voi käydä niin, että havaitaan poikkeamia, ja pystytään niiden avulla erottelemaan pimeä energia ja muokattu gravitaatio toisistaan. Ei kuitenkaan ole takeita siitä, etteivätkö tyhjön energian ennusteet osu oikeaan Euclidin kohdallakin, eli että mitään poikkeamia ei nähdä – kosmologisten havaintojen tekeminen on pimeässä huutamista vastakaikua toivoen.
Mutta se, että tyhjön energian ennusteista on havaittu yksi laajenemisnopeuteen liittyvä tilastollisesti erittäin merkittävä poikkeama, joka huolellisen tarkastelun jälkeen on aina entistä vakaammalla pohjalla, viittaa siihen, että on uutta löydettävää. Se, että kyseistä poikkeamaa ei ole osattu selittää saa odottamaan Euclidin havaintoja sitä innokkaammin.
Tyhjiöenergian,selittämiseksi, yksi tapa olisi löytää pieni luku 1e-120. Jos on niin että tyhjiömme on Higgsin potentiaalin paikallinen tai globaali minimi, silloin se on – kuten kaikki minimit – likimain paraabeli. Voisivatkohan ei-paraabelisuuteen liittyvät epäharmoniset korjaukset antaa luokkaa 1e-120 olevaa lukua? En tiedä olisiko relevantti fluktuaatioiden suuruusluokka minimin ympärillä maailmankaikkeuden (ajasta riippuva) lämpötila, vai jonkin keveimmän stabiilin hiukkasen lepomassa., jolloin se olisi lakannut riippumasta ajasta jostain epookista alkaen.
Tyhjön energian suuruutta ei osata laskea missään realistisessa mallissa. Monia ideoita on esitetty siitä, miksi tyhjön energia on niin paljon pienempi kuin hiukkasfysiikan skaalat, mutta ei tiedetän onko mikään niistä oikein.
Onko mahdollista, että maailmankaikkeus ei laajenekkaan kiihtyvästi, vaan kyseessä on jonkinlainen systemaattinen virhe niissä menetelmissä, joilla laajenemisen kiihtyminen on mitattu/havaittu?
Tätä on tutkittu paljon, ja kysymys on sivunnut omia tutkimusaiheitani. Tästä on niin paljon erilaisia mittauksia, että kyse ei voi olla yksittäisen kokeen mittausongelmista. On sitten eri kysymys, voiko kokeiden tulkitsemisessa käytetty viitekehys olla perusteiltaan virheellinen.
Tämä ei vaikuta todennäköiseltä, mutta sitä voi vielä järkevästi epäillä, ja erilaisia ideoita on esitetty esim. siitä, että maailmankaikkeuden rakenteiden vaikutus havaintoihin ja valon kulkuun on johtanut harhaan.
Tässä skeptinen artikkeli Subir Sarkarilta (hän oli de facto esihenkilöni Oxfordin yliopistossa): https://inference-review.com/article/heart-of-darkness
Tyhjöenergia on kaikkialla, mutta siitä huolimatta galaksit eivät sisältä laajene. Tämä tarkoittanee sitä, että kappaleet ovat hienoisessa liikkessä kohti galaksin keskustaa painovoiman takia, mikä kumoaa laajenemisen . Onko laajenemisessa kyse, että uutta avaruutta syntyy tilalle esim parinmuodostuksessa vai nykyinen venyy?
Galakseissa tavallisen aineen puoleensavetävä gravitaatio on vahvempi kuin tyhjön energian hylkivä gravitaatio. Tyhjön energiaa on yhtä paljon kaikkialla, mutta galakseissa on paljon keskimääräistä enemmän tavallista ainetta. Galaksit eivät toisaalta romahda, koska pyöriminen tasapainottaa ne, aivan kuten planeetat eivät syöksy Aurinkoon koska ne kiertävät sitä.
Ei ole suurta eroa sillä, sanooko että avaruutta tulee lisää vai että nykyinen venyy. Itse sanoisin, että avaruus venyy, eli sen tilavuus kasvaa.
Yksi mahdollisuus toki on, että kiihtyvä laajeneminen alkoi, kun tyhjiö voitti galaksien välisen gravitaation. Onko mahdollista, että universumin curvature on hieman negatiivinen, mikä johtaa laajenemiseen? Jos aika-avaruus on kvanttikenttä, niin venyessä sen energiatiheys laskee? Jos aika-avaruutta syntyy lisää, sen energiatiheys voi pysyä vakiona?
Avaruuden kaarevuus ei johda kiihtyvään laajenemiseen.
Tyhjön energiassa ei ole kyse aika-avaruuden energiasta, vaan aika-avaruuden täyttävän aineen energiasta. Ja tosiaan, koska tyhjön energiaa on yhtä paljon kaikkialla, sitä tulee lisää kun avaruuden tilavuus kasvaa (siten, että energiatiheys -energia per kuutiometri- pysyy samana).
Kyllähän avaruuden kaatevuus johtaa kiihtyvään syöksyyn niin miksei kiihtyvään erkanemiseen? Vai voidaanko osoittaa, että hienoista universaalia kaatevuutta ei ole ?
Avaruuden kaarevuus ei johda kiihtyvään laajenemiseen. Tämä riittäköön tästä.
Räsänen: ”Avaruuden laajeneminen (yleisemmin, aika-avaruuden kaarevuus) ”. Tässä avaruuden laajeneminen ja aika-avaruuden kaarevuus rinnastetaan samoiksi asioiksi. Voidaanko sanoa kumpi on syy ja kumpi seuraus?
Avaruuden laajeneminen on yksi aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä.
Miten muuten avaruuden laajeneminen vaikuttaa kvanttikenttiin? Jos meinaan kentätkin venyvät, niin eikö se vaikuta luonnonvakioihin ja fysiikan lakeihin? Toisaalta kenttien supistuminen varmaankin lataisi aallonpituuden pienentyessä energiaa. Jos taas laajeneminen ei vaikuta kenttiin, niin olisiko se todiste sille, että avaruus on emergentti rakenne eikä mitenkään perustavanlaatuinen näyttämö?
Ja jos aika-avaruus olisi esim. lomittumisesta aiheutuva emergentti rakenne, niin voisiko tuon laajenemisen yhdistään siihen, että kvanttimekaanisella aallolla on yleisesti taipumus levitä? Ja voisiko eräs maailmanlopun skenaario olla sellainen, että avaruus yksinkertaisesti häviää pois?
Avaruuden laajeneminen (yleisemmin, aika-avaruuden kaarevuus) vaikuttaa toki kvanttikenttiin, ja miten tismalleen se vaikuttaa on tärkeä tutkimuskenttä.
Mustien aukkojen Hawkingin säteilyssä on kyse siitä, miten kaarevuuden ero lähellä mustaa aukkoa ja kaukana siitä vaikuttaa hiukkasiin. Vastaavasti maailmankaikkeuden laajetessa aika-avaruuden kaarevuus muuttuu ajan myötä, ja tämä vaikuttaa hiukkasiin. Jossain mielessä kaiken maailmankaikkeuden rakentene alkuperä kosmisessa inflaatiossa perustuu siihen, että kaarevuuden muuttuessa syntyy hiukkasia.
Menee sen verta kauas merkinnästä, että ei tästä kiinnostavasta aiheesta tässä sen enempää.
Räsänen: Avaruuden laajeneminen (yleisemmin, aika-avaruuden kaarevuus) vaikuttaa toki kvanttikenttiin, ja miten tismalleen se vaikuttaa on tärkeä tutkimuskenttä.
Mitä on avaruus? Olemme oppineet, että maailmankaikkeuden fundamentit ovat kvanttikentät (ja hiukkaset näiden kenttien eksitaatioita) ja että fundamenttiä ei voi selittää jollain vielä fundamentimmällä. Eli maailmankaikkeus ON yhtä kuin kvanttikentät, eikä siis niin, että kvanttikentät ”lilluisivat” jossain määrittelemättömässä ”esi-avaruudessa” (tausta-avaruus). Eli tämän aika-avaruuden kaarevuus (laajeneminen) vaikuttaa sitten nimenomaan kenttiin. Onko luonnehdintani oikeansuuntainen?
Ei. Kvanttikentät ovat aika-avaruudessa sijaitsevaa ainetta, joten aika-avaruus tietysti vaikuttaa niihin. Mutta aika-avaruus olisi olemassa ilmankin niitä.
Sori että jankkaan: palautuuko tämä siihen että meillä ei ole yleisesti hyväksyttyä kvanttigravitaation teoriaa ( yleinen suhtis+kvanttiteoria).
Ei. Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika-avaruus on olemassa, vaikka ainetta ei olisi. Kun kvanttikenttiä laitetaan yleisen suhteellisuusteorian kuvaamaan aika-avaruuteen, tämä puoli ei muutu.
On tietysti mahdollista, että kokonainen kvanttigravitaatioteoria osoittaa, että avaruuden olemassaolo on riippuvainen aineen olemassaolosta, mutta toistaiseksi tunnetuissa teorioissa näin ei ole.
Eikö koetuloskin ole havainto? Nyt Syksy kirjoittaa havaintojen ja teorian vastaavuudesta, Jonkin aikaa sitten Syksy kirjoitti, että jos koetulos ei vastaa teoriaa, niin koetulos on hylättävä! Minusta se oli niin kummallinen väite, että se jäi mieleen ja sen vuoksi palasin ko, aiheeseen!
Mihin kirjoitukseen viittaat?
Onko tuo mustien aukkojen Hawkingin säteily jo järkevän epäilyn ulkopuolella?
Hyvä kysymys. Ei ole, koska siitä ei ole havaintoja.
Ennustus perustuu kvanttikenttäteorian yhdistämiseen yleiseen suhteellisuusteoriaan tavalla, jota yleisesti pidetään kiistattomana.
Samaa menetelmää sovelletaan kosmisessa inflaatiossa rakenteiden siementen laskemiseen, ja tämän laskun tuloksia on yksityiskohtaisesti ja onnistuneesti verrattu havaintoihin. Tämä lisää luottamusta siihen, että myös ennuste Hawkingin säteilystä pitää paikkansa, mutta ei todista sitä.
Asiassa voi olla kaikenlaisia monimutkaistuksia – esimerkiksi että aineen romahduksessa ei kvanttifysikaalisten efektien takia muodostukaan tapahtumahorisonttia, jolloin ei olisi Hawkingin säteilyäkään.
Tämä riittäköön mustista aukoista, jotka ovat kaukana merkinnän aiheesta.
Pieni jatkokysymys: Jos myös yleisen suhtiksen aika-avaruus kvantitetaan, niin silloinhan se olisi (myös) kvanttikenttä. Eli kaikki olisi kvanttikenttiä.
Tarkoitin tässä kvanttikentällä ainetta kuvaavia kenttiä. Jos aika-avaruutta kuvaava kenttä kvantitetaan (kuten osittain tehdään kosmisessa inflaatiossa), niin silloin sekin toki on kvanttikenttä.