Suureellinen fantasiaeepos
Usein kosmologiaa suurelle yleisölle esittelevien puheiden jälkeen minulta on kysytty, mistä voisi lukea lisää aiheesta. Olen ollut huono vastaamaan, koska en ole juuri populaareja kirjoja lukenut. Merkittävä askel kohti ongelman ratkaisua oli entisen väitöskirjaohjaajani ja nykyisen kollegani Kari Enqvistin signeeraaman kirjan Ensimmäinen sekunti löytäminen fysiikan laitoksen postilokerostani.
Nimi viittaa Steven Weinbergin vuonna 1977 ilmestyneeseen kosmologian popularisoinnin klassikkoon Kolme ensimmäistä minuuttia. Ajat on valittu sen perusteella, että kevyiden alkuaineiden muodostuminen alkoi maailmankaikkeuden ollessa kolmen minuutin ikäinen, ja sitä valmisteleva neutriinojen irtoaminen näkyvästä aineesta tapahtui sekunnin aikaan. Tapahtuma päätti sen aikakauden maailmankaikkeudessa, jonka ymmärtämiseen tarvitaan hiukkasfysiikkaa: myöhemmin pärjää enimmäkseen atomifysiikalla ja yleisellä suhteellisuusteorialla, tähtiä lukuun ottamatta.
Enqvistin kirja on katsaus hiukkaskosmologian historiaan ja nykytilaan, ja laajempi kuin mitä nimi antaa ymmärtää. Vaikka takakannessa mainostetaan, että ensimmäisen sekunnin jälkeen ei ole tapahtunut mitään mielenkiintoista, Enqvistin kertomus maailmankaikkeuden kehityksestä alkuaikojen sopukoista nykypäivään osoittaa toisin.
Enqvist käsittelee maailmankaikkeuden laajenemista, pimeää energiaa, pimeää ainetta, aineen ja antiaineen epäsuhdan syntyä, alkuaineiden ja atomien muodostumista, kosmista mikroaaltotaustaa, tähtien ja galaksien muodostumista ja paljon muuta. Oikeastaan nykykosmologian kaikki keskeiset tutkimuskohteet käydään läpi.
Johtotähtenä on kosminen inflaatio, joka ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana määräsi sen, mitä ratoja maailmankaikkeuden myöhempi historia kulkee. Enqvist olikin ensimmäisiä suomalaisia tutkijoita (ellei aivan ensimmäinen), jotka työskentelivät sittemmin kosmologian kenties tärkeimmäksi tutkimusaiheeksi nousseen inflaation parissa.
Eräs Enqvistin kirjan viehätys onkin omakohtainen kertomus tiedeyhteisöstä. Enqvistin kuvaukset siirtymisestä hiukkasfysiikasta kosmologiaan ja työskentelyssä CERNistä sekä Planck-satelliitin kehittämisestä tarjoavat näkymän fysiikan tekemisen arkeen ja menestykseen. Kirjan aikajänne yltää viime vuoden BICEP2-teleskoopin tuloksiin mahdollisista gravitaatioaalloista. Kirjan mennessä painoon niiden tulkinta ei vielä ollut selvä, mutta Enqvist antaa asianmukaisen varoituksen siitä, että kyseessä saattaa olla vain pöly, kuten sitten osoittautuikin. Yleensäkin Enqvist tekee selvän eron siihen, mitä tiedämme varmasti ja mistä vain uumoilemme, edelliseen keskittyen.
Enqvist sijoittaa oman työnsä varsin realistisesti, ehkä vaatimattomasti, tutkimuksen kentälle. (Kun tarvitaan esimerkki spekulatiivisista ideoista, Enqvist nostaa esimerkiksi erään oman paperinsa, ja naurajaksi sille entisen oppilaansa Kimmo Kainulaisen.) Enqvist toteaa, että valtaosan kosmologian artikkelien kohtalo on se, että ”[m]uutaman kymmentä tutkijaa saattaa lukea niitä ja omissa tutkimuksissaan viitata niihin, minkä jälkeen ne unohdetaan”. Tämä ei tarkoita, että ne olisivat välttämättä turhia, koska ne muodostavat pohjan, josta oikeat löydöt nousevat: ”kaikki luonnontieteen saavutukset ovat aina kollektiivisen puurtamisen hedelmiä”.
Pitkälle meneviä spekulaatioita kuten säieteoriaa tai multiversumia Enqvist käsittelee lyhyesti, epäilevin äänenpainoin. Enqvistin aloitellessa itsenäisen tutkijan uraansa CERNissä 1980-luvun alkupuolella toiveet olivat korkealla säieteorian suhteen, ”kuin alalaatikkoon unohtuneesta nuhruisesta pahvirasiasta olisi löytynyt Graalin malja”. Yltiöpäinen optimismi on kuitenkin haihtunut, ja lopullinen teoria näyttää olevan yhä kauempana.
Hiukkaskosmologia on vaikea aihe popularisoitavaksi, koska sen peruskäsitteet ja keskeiset suureet ovat arjelle vieraita. Vaihtoehtoina on hidas eteneminen tietä huolellisesti valmistellen ja sutjakka tarpominen eteenpäin silläkin uhalla, että jotkut asiat jäävät epäselviksi.
Enqvist on valinnut jälkimmäisen: kirja ei jää paikalleen selittelemään kaikkea ennen kuin päästään asiaan, ja noin kymmenen sivun mittaiset luvut seuraavat toisiaan hätkähdyttävässä tahdissa. Enqvist luottaa siihen, että lukija joko tietää mitä vaikkapa kvantti tarkoittaa, tai osaa asennoitua siten, että kaikkea ei tarvitsekaan tarkalleen ymmärtää, kunhan on vainu siitä, mistä on kysymys. Ilmaisu ”palaamme tähän myöhemmin” toistuu, kun asioita ei käydä läpi geometrisen tarkassa järjestyksessä. Laajasti aiheistosta huolimatta kirja etenee sujuvasti, ja Enqvistin maanläheisillä kielikuvilla kyllästetyt sivut kääntyvät kuin itsestään.
Tiedettä popularisoidessa ei ainoastaan tarvitse yksinkertaistaa asioita, vaan niitä pitää myös vääristellä. Asian selittäminen oikein, summittaisesti ja varauksella, antaa usein heikomman käsityksen kuin sen selittäminen selkeästi, yksinkertaisesti ja virheellisesti. Popularisoijan onkin valittava valheensa: ei ole aina helppoa päättää, mikä on oleellista kertoa oikein, ja mistä on parempi tarinoida siten, että mielikuva on oikein, vaikka juttu on väärin.
Kirjassa on tällaisia valkoisia valheita paljon. Tekisi mieli sanoa, että maailmankaikkeuden laajenemista ei voi ymmärtää valon nopeuden muutoksena, aineen energian säilymisen rikkoutuminen yleisessä suhteellisuusteoriassa ei liity gravitaatiokentän energiaan, Hubblen parametri ei riipu maailmankaikkeuden kokonaisenergiasta, horisontti ei laajene valonnopeudella (eikä nykyään enää ollenkaan), Higgsin kentän härmistymisessä ei ole kyse Higgsin hiukkasten puurosta, kosmisen mikroaaltotaustan B-moodeja eivät synnytä vain gravitaatioaallot ja niin edelleen. Noissa lausunnoissa on kaikissa jotain oikeaa, ja ne saattavat helpottaa asioiden ymmärtämistä, mutta olisin itse jättänyt ne käyttämättä.
Tällaiset populaarit kirjat eivät ole tieteellistä tekstiä, jolla tarkasti välitettäisiin tutkimuksen tuloksia, vaan tieteestä kertovia tarinoita. Joskus lukijan voi kuitenkin olla vaikea erottaa sitä, mihin tarinassa voi luottaa. Erityisen ongelmallista tämä on silloin, kun populaareja esityksiä luetaan tarkemmin kuin mitä niitä on kirjoitettu, ja niistä yritetään ottaa enemmän kuin mihin on annettu mahdollisuuksia.
Niinpä muilta popularisoijilta kysytään esimerkiksi sellaisia asioita kuin että kun Enqvist kerran on sanonut, että Hubblen parametri riippuu maailmankaikkeuden kokonaisenergiasta ja joku toinen on kertonut, että maailmankaikkeudella ei ole rajaa, niin eikö Hubblen parametri ole rajaton, ja jos ei, niin eikö tämä kosmologia olekin ristiriitaista. Kyse ei kuitenkaan ole tieteellisistä erimielisyyksistä, vaan yksilöllisistä tarinointityyleistä. (Eräs lempiosani kirjasta on muuten lopun kuvaus, jossa maailmankaikkeuden historia on esitetty Tarun sormusten herrasta kaltaisen fantasiaeepoksen kielellä, mikä ei ole kirjan muuta tekstiä kauempana fysiikan teorioiden sisällöstä.)
Erityisesti pistää silmään termin alkuräjähdys merkitys. Aikoinaan sitä käytettiin viittaamaan yleisen suhteellisuusteorian ennustamaan ajan ja avaruuden syntyyn. Jotkut ovat kuitenkin ruvenneet viittaamaan sanalla alkuräjähdys inflaatiota ajavan kentän hajoamiseen tavallisiksi hiukkasiksi (mihin olen itsekin syyllistynyt), tai jopa vain siitä syntyneen kuuman keiton laajenemiseen. Enqvist kirjoittaa, että ”[k]aikessa yksinkertaisuudessaan alkuräjähdys tarkoittaa seuraavaa: hyvin kauan sitten maailmankaikkeus oli hyvin tiheä ja laajeni nopeasti; nyt se ei enää ole niin tiheä ja laajenee hitaammin kuin ennen. Siinä kaikki.”
Mielestäni tämä on harhaanjohtava käytäntö. Se on myös sinänsä hämmentävää, että –kuten Enqvist käy läpi– ajatus alkuräjähdyksestä kohtasi vastustusta sen takia, että sen mukaan maailmankaikkeudella on alku, ei niinkään siksi, että se laajenee ja jäähtyy. (Eräs kirjasta arvostelua kirjoittanut toimittaja soittikin kummastuneena tästä alkuräjähdys-sanan käytöstä.)
Tuttuun tapaansa Enqvist tyylittelee teorioiden lisäksi eri alojen ajattelijoita, ja osansa saavat fyysikoiden ohella niin insinöörit, matemaatikot, filosofit, humanistit kuin šamaanitkin. Tämä ei ole vain turhanpäiväistä piikittelyä, vaan muistuttaa siitä, että fysiikka on avannut maailmankaikkeuden saloja viimeisen sadan vuoden aikana enemmän kuin tuhansien vuosien uskonnolliset ja filosofiset pohdinnat.
Toisaalta kirjan läpikulkeva teema on inhimillisen ja kosmisen yhteys. Enqvist toteaa loppuyhteenvedossaan seuraavasti:
”Universumi tapahtuu meille: meidän on elettävä sen ennakoimattomien tuulien riepoteltavina, ja tämän tosiseikan aiheuttamat kosmiset mielenliikutukset voivat olla moninaiset. Niiden joukkoon mahtuu kuitenkin myös hyväksyntä – kenties jopa huvittunut hyväksyntä – ja kosmisen ironian taju, mutta ennen kaikkea ylpeys saavutuksistamme.”
Jos haluaa saada kuvan näistä saavutuksista maailmankaikkeuden ymmärtämisen osalta, niin Ensimmäistä sekuntia parempaa suomeksi kirjoitettua teosta tuskin löytyy.
Kollegiaalisen kritiikin esittäminen on tunnetusti taitolaji, eikä tätä kirjaesittelyä voi syyttää hyvän tasapainon puutteesta. Silti toivoisin, että itseänikin Enqvistin kirjassa kummastuttanut alkuräjähdyksen ja kosmisen inflaation suhteen määrittely (tai semantiikka) saisi vielä täsmällisemmän analyysin.
Enqvisthän esittää suoraan, että toisin kuin joskus vuosia sitten tavattiin esittää, ”alkuräjähdys” seuraa inflaatiota eikä niin, että inflaatio olisi alkuräjähdystä ajallisesti seuraava ilmiö.
Itseäni ei oikein tyydytä ajatus, että tällaiset perusasiat riippuvat siitä, mikä semanttinen sisältö termeille milloinkin annetaan. Maallikolle ”alkuräjähdys” inflaation jälkeen ei kuulosta oikein uskottavalta.
Kun vaikuttaa siltä, että Syksy Räsänen ei pidä Enqvistin uutta muotoilua onnistuneena (vaan suorastaan harhaanjohtavana), kuulisi tästä asiasta mielellään lisää.
Heikki Poroila, utelias ja tiedonhaluinen maallikko
Heikki Poroila:
Kyse kuitenkin on vain sanojen valinnasta.
Alun perin alkuräjähdys tarkoitti ajan ja avaruuden alkua, jolloin aineen tiheys olisi äärettömän iso. Inflaatiota edeltävästä ajasta ei kuitenkaan tiedetä mitään, ja kuuma laajeneva keitto, josta kosminen mikroaaltotausta ja me olemme jäänteitä, syntyy vasta inflaation loputtua. Niinpä jotkut ovat ruvenneet käyttämään termiä alkuräjähdys viittaamaan tuohon aineen syntyyn inflaation jälkeen (Enqvisthän menee vielä hieman pidemmälle).
Tällaisen perinteisen termin merkityksen vaihtaminen tieteen popularisoimisen yhteydessä ei kuulosta kuitenkaan hyvältä idealta. Enqvist ei mielestäni perustele, miksi hän on vaihtanut termin ”alkuräjähdys” merkityksen, joten hämmennys on vääjäämätön.
Eikö olisi kaikkien kannalta helpompaa soveltaa tällaisen uudelleenajattelun popularisoinnin yhteydessä jotain kokonaan uutta termiä?
Kävin viime vuonna seuraamassa Enqvistin esitelmän Skepsis ry:n tilaisuudessa. Otsikko taisi olla ”Ensimmäinen sekunti, kosminen inflaatio ja Higgsin bosoni”. Enqvist on todella hyvä esiintyjä, mutta myös minua jäi koko esityksen ajaksi vaivaamaan uuden oloinen tulkinta alkuräjähdykselle.
Enqvistin kirjan (Ensimmäinen sekunti) alku- ja loppulehdillä on pelkistetty graafinen esitys tapahtumien kulusta aikojen alussa. Sen mukaan tapahtumajärjestys oli tämä: Inflaatio > kuuma alkuräjähdys > Higgs jäätyy > aine syntyy > ytimet syntyvät > atomit syntyvät > kosminen mikroaaltotausta syntyy > galaksit syntyvät.
Varsinkin kaikkeuden synnyn ensimmäiset vaiheet kestivät vain sekunnin miljardisosia. Kun lisäksi otetaan huomioon, että mikään ei varsinaisesti räjähtänyt, en ole ihan varma siitä, onko meidän maallikoiden osattava ymmärtää maailmankaikkeuden ensimmäisten hetkien tapahtumia. Kyse on joka tapauksessa vaikeasti ymmärrettävästä hypoteesista, ja joillakin termeillä asiaa on yritettävä kuvailla, jotta saisimme edes aavistuksen siitä, miten tapahtumat ovat edenneet kaikkeuden ansimmäisten hetkien kuluessa.
Pääasia on, että me olemme olemassa, ja että on olemassa jotakin sen sijaan, että ei olisi olemassa mitään. 😉
Kirjahyllyssäni on kaikki Enqvistin populaarit teokset ja niiden lisäksi yli kymmenen muun kirjoittajan fysiikkaa ja kosmologiaa käsitteleviä kirjoja. Fysiikan lisäksi olen keräillyt ja lueskellut evoluutiobiologiaa, ekologiaa vähän filosofiaa ja poliittista lähihistoriaa. Pari opusta taitaa sivuta matematiikkaakin.
Minulle Enqvistin, Valsten, Weinbergin, Stringerin, Kraussin, Niiniluodon ja monen monen muun kirjoittajan kirjat ovat olleet merkittävä tuki oman maailmankuvani rakentamisessa. Lisäksi saan kiittää näitä tieteen popularisoijia jo nelisenkymmentä vuotta jatkununeesta harrastuksesta populaarien ja joskus jopa vähän vähemmän populaarin tiedekirjallisuuden parissa.
En edes laittaisi liikaa painoarvoa yksittäisiin sanoihin tai tapaan esittää jokin asia, vaikka toki vakiintuneessa terminologiassa olisi hyvä pitäytyä. Ei minunlaisistani diletanteista enää mitään asiantuntijoita tule, vaikka mitä lueskelisi. Omasta mielestäni on tärkeää ymmärtää, että populaarit kirjat ovat parhaimmillaankin likiarvoja ja analogioita kyseisestä tieteenalasta. Silloin tietää luulevansa, eikä erehdy luulemaan tietävänsä.
”Yhden kirjan lukeneilla” saataa sellaisiakin ajatuksia tulla, että tämä (esimerkiksi kosmologia) on nyt oleellisin osin tässä. Tiedepalstoja netissä seuranneena en ole voinut välttyä siltäkään ajatukselta.
Iso kiitos myös yleisöluentoja pitäville tutkijoille. Syksyn luentoja olen päässyt muutamaan kertaan kuulemaan livenä ja olen aina saanut uusia ajatuksia kuulemastani. Myös Hesan yliopiston Studia Generalia luennot olen kuunnellut jo useampana vuotena netin kautta.
Summa summarum: Tutkijat, jotka jaksavat tuoda tiedettä tavallisen kansan ulottuville,kirjoin, lehtiartikkelein, blogein ja yleisöluennoin ovat kiitoksensa ansainneet.
Voidaan tietysti pohtia, onko mitään väliä sillä, mitä me maallikot ymmärrämme tai emme ymmärrä. Kovan tieteen tutkimisen ja etenemisen näkökulmasta tuskin on, vaikka rahoituksen järjestyminen voikin joskus olla kiinni siitä, että joku kassanvartija luulee ymmärtäneensä ja innostuu.
Itse näen asian kuitenkin toisin. Minusta jo populaaritieteellisen kirjoittamisen olemassaolo puoltaa terminologista johdonmukaisuutta ja selkeyttä. Miksi edes vaivautua kirjoittamaan maallikoille, jos terminologia vaihtuu ilman varoitusta tai semanttinen sisältö muuttuu ilman selitystä?
Olen muiden tavoin kiitollinen siitä, että tutkijamme ovat jaksaneet vaikeista asioista vääntää edes jollain lailla ymmärrettävää tekstiä. Silti Räsäsen lista Enqvistin ”valkoisista valheista” on hätkähdyttävä. Emmehän me lukijat voi tietää, milloin kyse on yksilöllisestä tarinointityylistä, milloin uudesta tieteellisestä teoriasta tai näkökulmasta.
Siksi olen edelleenkin sitä mieltä, että tällä ”uudelle alkuräjähdykselle” olisi hyvä sopia ihan oma, jakamaton terminsä. Näitten populaaritiedeteosten lukijoiden joukossahan voi olla joku 12-vuotias neropatti, joka aikanaan perii Enqvistin – tai Räsäsen – hommat.
Mitä tarkalleen tarkoittaa ”horisontti ei laajene valonnopeudella (eikä nykyään enää ollenkaan)”, erityisesti tuo suluissa oleva osuus?
PS. Oletko Syksi itse pohtinut joskus populaarin alasi ilmiöitä esittelevän teoksen kirjoittamista? Blogiahan olet pitänyt jo kauan, joten vähintäänkin sen merkinnöistä voisi ammentaa kirjaan tai pariin kappaleita.
Mika:
Jos avaruus ei laajenisi, niin se alue, jonka näemme kasvaisi valon nopeudella. Koska maailmankaikkeus laajenee, alue kuitenkin kasvaa nopeammin (kuten Enqvist kirjassa kyllä toisessa yhteydessä mainitsee), niin kauan kuin maailmankaikkeuden laajeneminen hidastuu. Jos maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, niin näkemämme alue ei kasva. Havaintojen perusteella laajeneminen kiihtyy.
(Lisäksi horisontti, siinä mielessä kuin sitä kosmologiassa käytetään, viittaa siihen alueeseen, joka on ollut kausaalisessa yhteydessä joskus, ja se on inflaation takia isompi kuin tuo näennäinen horisontti – minkä Enqvist kyllä myös kertoo.)
Työn alla (tosin hiljaisella liekillä) on tällä hetkellä kuvitettu lastenkirja kosmologiasta Ninni Aallon kanssa. Tekstikirjaa olen harkinnut, kenties sen aika on myöhemmin.
Itse koen Enqvistin terminologian alkuräjähdyksestä moitteettomaksi. Jos alkuräjähdyksellä tarkoitetaan ”maailmankaikkeuden syntyä”, täytyy tehdä lisäoletuksia. Täytyy olettaa, että maailmankaikkeus on jollain tavalla syntynyt alkuräjähdyksessä. Se räjähdys (”räjähdyskaasujen leviäminen”) on ainut asia, jonka voimme varmaksi todeta. Miksi alkuräjähdyksellä pitäisi tarkoittaa tällä hetkellä mitään muuta kuin havaittua maailmankaikkeuden laajenemista hyvin kuumasta ja tiheästä tilasta?
Hämmennystä saattaa aiheuttaa myös termi ”alkuräjähdysteoria”. Kyseinen malli ei kata maailmankaikkeuden ”syntyä”, joten sen yhteydessä alkuräjähdys on järkevästi määritelty vain kuten Enqvist kirjassaan tekee.
PS. Muistaakseni Hannu K-S opetti Kosmologia-kurssillaan myöskin näin.
Big B.:
Kyse ei ole räjähdyksestä, eikä räjähdyskaasuista.
”Kyse ei ole räjähdyksestä, eikä räjähdyskaasuista.”
Totta, siltä osin koko termi alkuräjähdys on harhaanjohtava. Tosin on siinä jotain analogiaa räjähdysten kanssa, joissa myöskin vallitsee kuuma ja tiheä tila alussa (suhteessa myöhempään tilaan) ja joissa tapahtuu jonkinlaista laajenemista.
Eiköhän koko ”alkuräjähdyssoppa” ole perua sekä ammoisesta Fred Hoylen 1949 radiossa esitetyn haukkumatölväisyn Big Bang että myöhemmän alkuräjähdyssuomennoksen suloisesta sekahedelmäsopasta.
Englanninkieliset popularisoijat (esim. prof Strassler) käyttävät ”alusta” tarkoittavana selvästi uutta termiä HBB eli Hot Big Bang. HBB olisi tulosta vielä kovin puutteellisesti ymmärretystä inflaatiosta. Sitä aikaisemmasta (jos sellaista edes olisi) puhuminen menee sitten täysin puhtaan spekulaation nimiin. Eli inflaatio tieteellisenä (inflaton-kentän) teoriana/teorioina antaa selityspohjaa paljolle sille, mitä kosmisissa havainnoissamme näemme. Eli inflaatiossa on järkeä. Sitä edeltävästä ajasta emme tiedä mitään (toki teoriaa pukkaa aiheesta tuhatmäärin).
http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/relativity-space-astronomy-and-cosmology/history-of-the-universe/
Vaikka Big Bang terminä on huono (ei räjähdystä eikä ”suurta”) on se parempi kuin suomennos alkuräjähdys, sillä sana alku ei fyysisesti/tieteellisesti kerro yhtikäs mitään ja räjähdyskin on täysin harhaanjohtava. Ehkä olisi viisasta alkaa käyttää termiä Hot Big Bang, sillä se ainakin viitteellisesti sisältäisi myös inflaation. Inflaatiohan itse oli superkylmä , mutta sen loppu, ja samalla aineellisen kosmoksemme ”syntymä”, superkuuma . Ainakin maallikoidenkin aivoissa alkaisivat kellot soida: ai mikä Hot?
Lentotaidoton:
Strassler tarkoittaa termillä ”Hot Big Bang” samaa kuin Enqvist sanalla alkuräjähdys. Hän ei siis viittaa termillä maailmankaikkeuden alkuun, vaan aineen syntyyn inflaation lopussa.
Tietysti näin. Olikin kysymys siitä, mitä/minkälaista nimitystä tulisi käyttää huonon ”alkuräjähdyksen” sijaan.