Kosmokseen kirjoitettua

Teknisyys ja henkisyys

31.3.2021 klo 15.59, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Muutama vuosi sitten blogin kommenteissa minulle kehuttiin tieteenhistorioitsija Helge S. Kraghin kirjaa Conceptions of Cosmos: From Myths to the Accelerating Universe: A History of Cosmology. Luin teoksen vasta nyt, ja se osoittautui mainioksi.

Kragh kertoo kosmologian tarinan sen esivanhemmista muinaisessa Egyptissä ja Mesopotamiassa alkaen. Keskiajan ja 1800-luvun välillä Kragh käsittelee vain eurooppalaista historiaa, lukuun ottamatta joitakin mainintoja arabeista.

Yksi kirjan kantava teema on jännite ja yhteys havaintoja kuvaavan tähtitieteen ja spekulatiivisen kosmologian välillä. Tähtitieteen tehtäväksi nähtiin pitkään vain taivaiden liikkeiden luetteloiminen ja matemaattinen mallintaminen. Sen sijaan kosmologiassa pyrittiin kattavaan maailman selittämiseen, usein irrallaan havainnoista. Esimerkiksi Kraghin mukaan Nikolaus Kopernikuksen aurinkokeskisen järjestelmän esitellyt kirja De revolutionibus orbium coelestium oli ”vaikea ja tekninen teos, suunnattu matematiikkaa tunteville tähtitieteilijöille, ei astrologeille, filosofeille tai kosmologeille”.

Toisaalta tähtitieteelläkin on nähty esteettinen ja moraalinen arvo. 100-luvulla kreikkalainen Klaudios Ptolemaios kuvasi tähtitiedettä ainoaksi tieteeksi, joka tarjoaa sekä vankkaa tietoa että kehittää moraalia:

”Jumaluuteen liittyvän pysyvyyden, järjestyksen, symmetrian ja tyyneyden kautta se tekee seuraajistaan tämän jumalaisen kauneuden rakastajia, tutustuttaen heidät ja ikään kuin muovaten heidän luontonsa samanlaiseen henkiseen tilaan.”

Antiikin Kreikassa syntyi kuva maailmasta, joka noudattaa järjellä ymmärrettäviä lakeja jumaluuksista ja hengistä riippumatta. Vaikka monet pohdinnat olivat hedelmättömiä, jotkut olivat häkellyttävän oivaltavia. Esimerkiksi stoalaiset filosofit päättelivät 300-luvulla ennen ajanlaskun alkua, että maailman ikä on äärellinen, koska eroosio tapahtuu vain yhteen suuntaan: jos maailma olisi ikuinen, vuoria ei olisi. Tällainen entropian kasvuun liittyvä päättely oli tärkeässä roolissa 1800-luvulla –kaksi vuosituhatta myöhemmin– maailmankaikkeuden iästä kiisteltäessä.

Vaikka Kragh ei asiaa korosta, kirjasta näkyy tuskallisen selvästi se, miten suuri takaisku Kreikan filosofian pysähtyminen ja Rooman valtakunnan hajoaminen oli maailman rationaaliselle ymmärtämiselle. Senkin jälkeen, kun muinaisten kreikkalaisten tekstit löydettiin kristillisessä Euroopassa uudelleen arabiankielisten käännösten kautta, Euroopan filosofit lähestyivät kosmologiaa lähinnä sen kannalta, miten aristotelinen filosofia ja kristillinen teologia voitaisiin sovittaa yhteen. Tähtitieteellisiä (tai muita) havaintoja ei pidetty oleellisina näille pohdinnoille, jotka keskittyivät sellaisiin kysymyksiin kuin onko Jumalan äärettömyys todiste maailmankaikkeuden äärettömyydestä vai äärellisyydestä.

Monien vanhojen kosmologisten pohdintojen hauska piirre on se, miten usein niihin kuuluu taivaan kehien koosta, planeettojen etäisyyksistä ja niin edelleen lukuarvoja, jotka ovat yhtä tarkkoja kuin ne ovat mielikuvituksellisia. Kirja onkin hyvä muistutus siitä, että tietyn alan pitkällinen ja kehittynyt älyllisten pohdintojen perinne ei ole mikään tae siitä, että niillä olisi mitään arvoa maailman kuvaamisessa.

Se, että vielä 1600-luvulla teologiset argumentit painoivat maailmankaikkeuden kuvaamisessa yhtä paljon kuin havainnot, oli yksi syy siihen, että Galileo Galilei suhtautui kosmologiaan ”sekoituksella skeptisyyttä ja välinpitämättömyyttä”.

Myöskään ero okkultismiin ei ollut aina selvä. Yhtä lailla tähtitieteilijä Tyko Brahe kuin alkemisti Paracelsus pitivät kemiaa ja tähtitiedettä toisiinsa elimellisesti liittyvinä tiedon aloina. Brahen kuuluisan Uraniborg-observatorion porteilla oli veistokset, joista toiseen oli kaiverrettu viek ”kun katson ylös, näen alas” ja toiseen ”kun katson alas, näen ylös”, mikä muistuttaa myöhäisantiikista periytyvää okkultistista mottoa ”kuin ylhäällä, niin alhaalla”.

Lopulta havainnot pelastivat kosmologian. Yksi rajapyykki oli Brahen vuoden 1572 havainto taivaalle ilmestyneestä ja katoavasta uudesta tähdestä. Se kyseenalaisti aristotelisen käsityksen taivaasta ikuisena, muuttumattomana ja jumalaisena alueena.

Isaac Newtonin 1600-luvun loppupuolella löytämä klassinen fysiikka mullisti sekin kosmologian. Nykynäkökulmasta klassisen fysiikan keskeinen piirre on se, että maailma on yksinkertaisten sääntöjen varassa toimiva itsenäinen järjestelmä. Newton ja hänen seuraajansa kuitenkin vastustivat tätä ajatusta, koska se teki Jumalan tarpeettomaksi. Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten läpimurtojen tekijät eivät aina näe tai hyväksy niiden keskeisiä seurauksia, koska heillä on toinen jalka menneessä. Newtonin aikalainen Gottfried Leibniz ja hänen seuraajansa sitä vastoin esittivät, että kellokoneistomaailma todistaa Jumalan suuruudesta, koska tämän ei maailman luomisen jälkeen tarvitse enää puuttua sen toimintaan. Vaikka Newtonin johtopäätös oli fysikaalisesti väärin, se oli sosiologisesti oikein: fysiikka on syrjäyttänyt Jumalan maailman tapahtumien selittämisessä ja johtanut ateismin leviämiseen.

Vuonna 1731 päästiin niin pitkälle, että Christian Wolffin kirjan Cosmologia nimessä oleva sana viittasi ensimmäistä kertaa puhtaasti fysikaalisiin ilmiöihin, irrallaan teologisista pohdinnoista. Spekulaatiot jatkuivat kuitenkin ilman kristillistä sisältöäkin.

Muun muassa filosofi Immanuel Kant esitti puhtaalla järjellä keksimiään selityksiä siitä, millainen maailmankaikkeus on. Myöhemmin hän muutti mielensä, ja todisteli, että maailmankaikkeuden käsite ei ole mielekäs, koska se ei kuvaa kenenkään havaintoja, joten sitä ei voi tutkia. Parhaimmillaan nämä pohdinnat esittivät uusia ideoita – Kant esimerkiksi kirjoitti, että ”tähtisumut” ovat toisia galakseja, mikä on saattanut pohjustaa ajatuksen hyväksymistä. Jälkikäteen katsottuna näiden moninaisten päättelyiden pääasiallinen anti on se, että niihin tutustuessa osaa arvostaa havaintojen ja matemaattisen mallintamisen tärkeyttä, sekä prototieteilijä Francis Baconin peräänkuuluttamien ”lyijyn ja painojen” merkitystä spekulaatioiden pitämisessä maan tasalla.

1800-luvulla tapahtui läpimurto, kun siirryttiin tähtitieteestä astrofysiikkaan, eli alettiin soveltaa muitakin fysiikan lakeja kuin gravitaatiota taivaiden mallintamiseen. Alkuaineiden spektriviivojen löytäminen mahdollisti tähtien koostumuksen mittaamisen ja niiden käyttämisen taivaallisina laboratorioina. Aiemmin tutkijat olivat olleet sitä mieltä, että tähtien olemuksen pohtiminen ei kuulu tieteeseen. Tämä on esimerkki siitä, että vain tutkimus voi kertoa, mitkä ovat tutkimuksen kohteita, ja millaisia menetelmiä siinä sopii käyttää.

Astrofysiikka avasi tähtitieteen ja kemian yhteyden, josta Brahe ja Paracelsus olivat haaveilleet. Tähtitieteen ja hiukkasfysiikan myöhempi tiivis suhde on jatkoa tälle, ja 1980-luvulla kosminen inflaatio selitti koko maailmankaikkeuden rakenteen hiukkasfysiikan kvanttivärähtelyjen avulla. Näillä kehitysaskeleilla ei kuitenkaan ole juuri tekemistä Brahen tai Paracelsuksen ajattelun kanssa. Onkin tavallista, että eri aikoina on esitetty toisiaan pintapuolisesti muistuttavia ideoita, ilman että ne ovat saman asian eri kehitysasteita.

Kun spektriviivojen avulla oli todistettu, että alkuaineet ovat samoja kaikkialla maailmankaikkeudessa, niin ruvettiin pohtimaan niiden alkuperää. Vuodesta 1915 yleisen suhteellisuusteorian löytämisen jälkeen reitti vastaukseen oli periaatteessa selvä. Teoria ennustaa, että avaruus laajenee ja tiheys laskee. Tiheys on siis varhaisina aikoina ollut isompi, ja siksi aine on ollut lämpötasapainossa. Tästä voi laskea, paljonko alkuaineita varhaisessa keitossa syntyy ja koska atomit muodostuvat.

Kragh käy yksityiskohtaisesti läpi, miten kosmologian kehitys ei kuitenkaan kulkenut tätä jälkikäteen suoralta näyttävää reittiä. Yleisen suhteellisuusteorian ennustama maailmankaikkeuden laajeneminen ja ajan alku herättivät laajaa vastarintaa. Niinpä jotkut fyysikot keksivät uutta fysiikkaa vailla muuta motivaatiota kuin näiden piirteiden välttäminen. Yksi paljon huomiota saanut esimerkki on Fred Hoylen ja kumppaneiden steady state -malli, missä oletetaan, että ainetta syntyy koko ajan tyhjästä. Tällöin aineen tiheys ei laske, vaikka avaruus laajenee, joten maailmankaikkeus pysyy aina samanlaisena, eikä sillä ole alkua.

On hauska sivujuonne, että jotkut näiden teorioiden kannattajat olivat sitä mieltä, että ne olivat tieteellisempiä kuin yleiseen suhteellisuusteoriaan ja muuhun tunnettuun fysiikkaan pohjaava kosmologia. Syynä oli se, että näillä teorioilla oli selviä ennustuksia, kun taas 1960-luvulla suhteellisuusteoriaan pohjaavan kosmologian tapauksessa ei ollut esimerkiksi pitkään selvää, miten tarkalleen maailmankaikkeus laajenee – koska se riippuu ainesisällöstä, jota ei tunnettu. Myöskään yleiseen suhteellisuusteoriaan pohjaava kosmologia ei pystynyt selittämään raskaiden alkuaineiden syntyä varhaisessa hiukkaskeitossa – koska ne syntyvät tähdissä. Tämä lienee varoittava esimerkki tieteenfilosofian väärinkäytöstä, joka ei ole myöhemmillekään kosmologeille vierasta. (Argumentti ei myöskään estänyt muokkaamasta steady state -mallia kerta toisensa jälkeen, kun sen ennustukset osoittautuivat havaintojen kehittyessä vääriksi.)

Myös yleisen suhteellisuusteorian kannattajilla kesti vuosikymmeniä ottaa teoria vakavasti ja soveltaa sitä johdonmukaisesti. Kaari oli poikkeuksellisen pitkä. Fysiikassa on kuitenkin tavallista, että paikkansa pitävät teoriat ajan myötä yksinkertaistuvat periaatteiltaan, esitystavaltaan ja oletuksiltaan, kun niitä ymmärretään paremmin. Samalla niille tulee yhä monimuotoisempia ja yksityiskohtaisemmin tarkasteltuja sovelluksia. Virheellisten teorioiden kohdalla käy päinvastoin: periaatteita ja oletuksia tulee lisää, ja sovelluksia yhä vähemmän.

Kraghin kirjan ensimmäinen painos ilmestyi vuonna 2007, joten mukaan ovat ehtineet kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet, kosminen inflaatio ja maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen. Kuten Kragh toteaa, lähihistoriaa on vaikea kirjoittaa, ja näistä asioista Kraghin käsittely lähestyy teorioiden sisältöön keskittyvää tietokirjaa, joita on parempiakin. Kraghin psykologinen ja sosiologinen painotus on silti kiinnostava. Hymyilyttää hänen huomionsa, että inflaatioon liittyvien maailman alkua, toisia maailmankaikkeuksia ja muita spekulaation perinteitä jatkavat pohdinnat ovat tuoneet filosofit ja teologit takaisin kosmologiaan, ”mistä heidät oli pitkään karkotettu”.

Fyysikoilla on tapana muistaa vain ne teoriat, jotka pitävät paikkansa. Tämä on mahdollista, koska fysiikka on historiaton tiede siinä mielessä, että uudet teoriat sisältävät edeltäjänsä. Fyysikot selittävät oikeaan tulokseen päätymistä, kun taas tieteenhistorioitsijat kartoittavat miten tutkimus on todellisuudessa kulkenut, ja virheelliset teoriat ovat tutkimuskohde siinä missä oikeatkin. Tässä mielessä Kraghin kirja on kelpo historia ei vain kosmologiasta, vaan kosmologeista, vaikka keskittyykin teorioihin henkilöiden sijaan.